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為什么溫度對電導率的影響較大

日期:2022-08-16 09:22
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摘要:
為什么溫度對電導率的影響較大:       
      (1)英文:conductivity (or specific conductance)
  (2)定義:電阻率的倒數為電導率,σ=1/ρ 。除非特別指明,電導率的測量溫度是標準溫度( 25 °C )。
  (3)單位:在國際單位制中,電導率的單位是西門子/米(S/m),其它單位有:s/cm,μs/cm。1S/m=0.01s/cm=10000μs/cm。
  (4)說明:電導率的物理意義是表示物質導電的性能。電導率越大則導電性能越強,反之越小。另外,不少人將電導跟電導率混淆:電導是電阻的倒數,電導率是電阻率的倒數。
[編輯本段]影響因素:
  (1)溫度:電導率與溫度具有很大相關性。金屬的電導率隨著溫度的增高而降低。半導體的電導率隨著溫度的增高而增高。在一段溫度值域內,電導率可以被近似為與溫度成正比。為了要比較物質在不同溫度狀況的電導率,我們必須設定一個共同的參考溫度。電導率與溫度的相關性,時常可以表達為,電導率對上溫度線圖的斜率。
  (2)摻雜程度:固態半導體的摻雜程度會造成電導率很大的變化。增加摻雜程度會造成高電導率。水溶液的電導率高低相依于其內含溶質鹽的濃度,或其它會分解為電解質的化學雜質。水樣本的電導率是測量水的含鹽成分、含離子成分、含雜質成分等等的重要指標。水越純凈,電導率越低(電阻率越高)。水的電導率時常以電導系數來紀錄;電導系數是水在 25°C 溫度的電導率。
  (3)各向異性:有些物質會有異向性 (anisotropic) 的電導率,必需用 3 X 3 矩陣來表達(使用數學術語,**階張量,通常是對稱的)。
[編輯本段]測量方法
  電導率的測量通常是溶液的電導率測量。固體導體的電阻率可以通過歐姆定律和電阻定律測量。電解質溶液電導率的測量一般采用交流信號作用于電導池的兩電極板,由測量到的電導池常數K和兩電極板之間的電導G而求得電導率σ。
  電導率測量中*早采用的是交流電橋法,它直接測量到的是電導值。目前*常用的儀器設置有常數調節器、溫度系數調節器和自動溫度補償器,在一次儀表部分由電導池和溫度傳感器組成,可以直接測量電解質溶液電導率。
  
電導率的測量原理

  電導率的測量原理是將相互平行且距離是固定值L的兩塊極板(或圓柱電極),放到被測溶液中,在極板的兩端加上一定的電勢(為了避免溶液電解,通常為正弦波電壓電導儀與電極,頻率1~3kHz)。然后通過電導儀測量極板間電導。
  電導率的測量需要弄清兩方面。一個是溶液的電導,另一個是溶液中1/A的幾何關系。電導可以通過電流、電壓的測量得到。這一測量原理在當今直接顯示測量儀表中得到應用。
  而K= L /A
  A——測量電極的有效極板;
  L——兩極板的距離;
  這一值則被稱為電極常數。在電極間存在均勻電場的情況下,電極常數可以通過幾何尺寸算出。當兩個面積為1cm的方形極板,之間相隔1cm組成電極時,此電極的常數K=1cm-1。如果用此對電極測得電導值G=1000μs,則被測溶液的電導率K=1000μs/ cm。
  一般情況下,電極常形成部分非均勻電場。此時,電極常數必須用標準溶液進行確定。標準溶液一般都使用KCl溶液這是因為KCl的電導率的不同的溫度和濃度情況下非常穩定,準確。0.1mol/l的KCl溶液在25℃時電導率為12.88ms/cm。
  所謂非均勻電場(也稱作雜散場,漏泄場)沒有常數,而是與離子的種類和濃度有關。因此,一個純雜散場電極是*復雜的電極,它通過一次校準不能滿足寬的測量范圍的需要。
  
電導電極的種類

  電導電極一般分為二電極式和多電極式兩種類型。
  二電極式電導電極是目前國內使用*多的電導電極類型,實驗式二電極式電導電極的結構是將二片鉑片燒結在二平行玻璃片上,或圓形玻璃管的內壁上,調節鉑片的面積和距離,就可以制成不同常數值的電導電極。通常有K=1、K=5、K=10等類型。而在線電導率儀上使用的二電極式電導電極常制成圓柱形對稱的電極。當K=1時,常采用石墨,當K=0.1、0.01時,材料可以是不銹鋼或鈦合金。
  多電極式電導電極,一般在支持體上有幾個環狀的電極,通過環狀電極的串聯和并聯的不同組合,可以制成不同常數的電導電極。環狀電極的材料可以是石墨、不銹鋼、鈦合金和鉑金。
  電導電極還有四電極類型和電磁式類型。四電極電導電極的優點是可以避免電極極化帶來的測量誤差,在國外的實驗式和在線電導率儀上較多使用。電磁式電導電極的特點是適宜于測量高電導率的溶液,一般用于工業電導率儀中,或利用其測量原理制成單組分的濃度計,如鹽酸濃度計、硝酸濃度計等。
  
電導電極常數

  根據公式K=S/G,電極常數K可以通過測量電導電極在一定濃度的KCL溶液中的電導G來求得,此時KCL溶液的電導率S是已知的。
  由于測量溶液的濃度和溫度不同,以及測量儀器的精度和頻率也不同,電導電極常數K有時會出現較大的誤差,使用一段時間后,電極常數也可能會有變化,因此,新購的電導電極,以及使用一段時間后的電導電極,電極常數應重新測量標定,電導電極常數測量時應注意以下幾點:
  1. 測量時應采用配套使用的電導率儀,不要采用其它型號的電導率儀。
  2. 測量電極常數的KCL溶液的溫度,以接近實際被測溶液的溫度為好。
  3. 測量電極常數的KCL溶液的濃度,以接近實際被測溶液的濃度為好。
  
電導率的溫度補償

  電導率測量是與溫度相關的。溫度對電導率的影響程度依溶液的不同而不同,可以用下面的公式求得:
  Gt = Gtcal{1 + α(T-Tcal)}
  其中:
  Gt = 某一溫度(°C)下的電導率;
  Gtcal = 標準溫度(°C)下的電導率;
  Tcal = 溫度修正值;
  α = 標準溫度(°C)下溶液的溫度系數。
  下表列出了常用溶液的α值。要得到其他溶液的α值,只要測量某個溫度范圍內的電導率,并以溫度為縱軸繪出相應的電導率的變化曲線,與標準溫度相對應的曲線點為該溶液的α值。
  溶液
  (25°C)
   濃度 Alpha
  (α)
  
鹽酸  10 wt% 1.56
氯化鉀溶液 10 wt% 1.88
硫酸  50 wt% 1.93
氯化鈉溶液  10 wt%  2.14
氫氟酸  1.5 wt% 7.20
硝酸  31 wt%  31.0

  目前市場上所銷售的所有電導儀都可以參照標準溫度(通常為25°C)進行調節的或自動溫度補償。大多數固定溫度補償的電導儀的α調節為2%/°C(近似25°C時氯化鈉溶液的α)。可調節溫度補償的電導儀可以把α調節到更加接近所測溶液的α。
[編輯本段]我國的電導率基準
  我國和不少國家的電導率基準是以相對測量法建立的,是一種國家副基準。
  將一種純度優于99.99%的高純度氯化鉀作為符合國際推薦的電導率基準物質,由它所配制的基準溶液應具有國際推薦電導率值。以25℃的溶液電導率為超始點,相應地測出各個電導池常數,然后按下式求出其他溫度的電導池常數K
  K=K0(1-at)
  式中,K0為0℃下電導池常數;a為制作電導池所用玻璃線性膨脹系數;t為溶液溫度,單位℃。
  上式為近似推導結果,與考慮復雜情況時*多不會超過正負1xl0^(-5)的差別。再根據不同溫度下各溶液在相應電導池上所實測到的電阻值,相應地計算出各溶液在不同溫度下的電導率。因為電導池常數相對變化的溫度系數為-8.49x10^(-6)℃-1,而KCl溶液電導率的溫度系數大約為+2x10^(-2)℃-1。因此,假如1D、0.1D和0.01D溶液在18℃和20℃下所測得的電導率與國際推薦值—致,則可以認為這樣的相對測量方法是可靠的,這在以后的國際樣品比較中得到了驗證。其中20℃的國際推薦值是1972年和1976年IUPAC推薦值。

滬公網安備 31011502007564號

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