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為什么溫度對(duì)電導(dǎo)率的影響較大

日期:2025-04-30 19:27
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摘要:
為什么溫度對(duì)電導(dǎo)率的影響較大:       
      (1)英文:conductivity (or specific conductance)
  (2)定義:電阻率的倒數(shù)為電導(dǎo)率,σ=1/ρ 。除非特別指明,電導(dǎo)率的測(cè)量溫度是標(biāo)準(zhǔn)溫度( 25 °C )。
 ?。?)單位:在國(guó)際單位制中,電導(dǎo)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。
 ?。?)說明:電導(dǎo)率的物理意義是表示物質(zhì)導(dǎo)電的性能。電導(dǎo)率越大則導(dǎo)電性能越強(qiáng),反之越小。另外,不少人將電導(dǎo)跟電導(dǎo)率混淆:電導(dǎo)是電阻的倒數(shù),電導(dǎo)率是電阻率的倒數(shù)。
[編輯本段]影響因素:
 ?。?)溫度:電導(dǎo)率與溫度具有很大相關(guān)性。金屬的電導(dǎo)率隨著溫度的增高而降低。半導(dǎo)體的電導(dǎo)率隨著溫度的增高而增高。在一段溫度值域內(nèi),電導(dǎo)率可以被近似為與溫度成正比。為了要比較物質(zhì)在不同溫度狀況的電導(dǎo)率,我們必須設(shè)定一個(gè)共同的參考溫度。電導(dǎo)率與溫度的相關(guān)性,時(shí)??梢员磉_(dá)為,電導(dǎo)率對(duì)上溫度線圖的斜率。
 ?。?)摻雜程度:固態(tài)半導(dǎo)體的摻雜程度會(huì)造成電導(dǎo)率很大的變化。增加摻雜程度會(huì)造成高電導(dǎo)率。水溶液的電導(dǎo)率高低相依于其內(nèi)含溶質(zhì)鹽的濃度,或其它會(huì)分解為電解質(zhì)的化學(xué)雜質(zhì)。水樣本的電導(dǎo)率是測(cè)量水的含鹽成分、含離子成分、含雜質(zhì)成分等等的重要指標(biāo)。水越純凈,電導(dǎo)率越低(電阻率越高)。水的電導(dǎo)率時(shí)常以電導(dǎo)系數(shù)來紀(jì)錄;電導(dǎo)系數(shù)是水在 25°C 溫度的電導(dǎo)率。
 ?。?)各向異性:有些物質(zhì)會(huì)有異向性 (anisotropic) 的電導(dǎo)率,必需用 3 X 3 矩陣來表達(dá)(使用數(shù)學(xué)術(shù)語(yǔ),**階張量,通常是對(duì)稱的)。
[編輯本段]測(cè)量方法
  電導(dǎo)率的測(cè)量通常是溶液的電導(dǎo)率測(cè)量。固體導(dǎo)體的電阻率可以通過歐姆定律和電阻定律測(cè)量。電解質(zhì)溶液電導(dǎo)率的測(cè)量一般采用交流信號(hào)作用于電導(dǎo)池的兩電極板,由測(cè)量到的電導(dǎo)池常數(shù)K和兩電極板之間的電導(dǎo)G而求得電導(dǎo)率σ。
  電導(dǎo)率測(cè)量中*早采用的是交流電橋法,它直接測(cè)量到的是電導(dǎo)值。目前*常用的儀器設(shè)置有常數(shù)調(diào)節(jié)器、溫度系數(shù)調(diào)節(jié)器和自動(dòng)溫度補(bǔ)償器,在一次儀表部分由電導(dǎo)池和溫度傳感器組成,可以直接測(cè)量電解質(zhì)溶液電導(dǎo)率。
  
電導(dǎo)率的測(cè)量原理

  電導(dǎo)率的測(cè)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(cè)溶液中,在極板的兩端加上一定的電勢(shì)(為了避免溶液電解,通常為正弦波電壓電導(dǎo)儀與電極,頻率1~3kHz)。然后通過電導(dǎo)儀測(cè)量極板間電導(dǎo)。
  電導(dǎo)率的測(cè)量需要弄清兩方面。一個(gè)是溶液的電導(dǎo),另一個(gè)是溶液中1/A的幾何關(guān)系。電導(dǎo)可以通過電流、電壓的測(cè)量得到。這一測(cè)量原理在當(dāng)今直接顯示測(cè)量?jī)x表中得到應(yīng)用。
  而K= L /A
  A——測(cè)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(shù)。在電極間存在均勻電場(chǎng)的情況下,電極常數(shù)可以通過幾何尺寸算出。當(dāng)兩個(gè)面積為1cm的方形極板,之間相隔1cm組成電極時(shí),此電極的常數(shù)K=1cm-1。如果用此對(duì)電極測(cè)得電導(dǎo)值G=1000μs,則被測(cè)溶液的電導(dǎo)率K=1000μs/ cm。
  一般情況下,電極常形成部分非均勻電場(chǎng)。此時(shí),電極常數(shù)必須用標(biāo)準(zhǔn)溶液進(jìn)行確定。標(biāo)準(zhǔn)溶液一般都使用KCl溶液這是因?yàn)镵Cl的電導(dǎo)率的不同的溫度和濃度情況下非常穩(wěn)定,準(zhǔn)確。0.1mol/l的KCl溶液在25℃時(shí)電導(dǎo)率為12.88ms/cm。
  所謂非均勻電場(chǎng)(也稱作雜散場(chǎng),漏泄場(chǎng))沒有常數(shù),而是與離子的種類和濃度有關(guān)。因此,一個(gè)純雜散場(chǎng)電極是*復(fù)雜的電極,它通過一次校準(zhǔn)不能滿足寬的測(cè)量范圍的需要。
  
電導(dǎo)電極的種類

  電導(dǎo)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(dǎo)電極是目前國(guó)內(nèi)使用*多的電導(dǎo)電極類型,實(shí)驗(yàn)式二電極式電導(dǎo)電極的結(jié)構(gòu)是將二片鉑片燒結(jié)在二平行玻璃片上,或圓形玻璃管的內(nèi)壁上,調(diào)節(jié)鉑片的面積和距離,就可以制成不同常數(shù)值的電導(dǎo)電極。通常有K=1、K=5、K=10等類型。而在線電導(dǎo)率儀上使用的二電極式電導(dǎo)電極常制成圓柱形對(duì)稱的電極。當(dāng)K=1時(shí),常采用石墨,當(dāng)K=0.1、0.01時(shí),材料可以是不銹鋼或鈦合金。
  多電極式電導(dǎo)電極,一般在支持體上有幾個(gè)環(huán)狀的電極,通過環(huán)狀電極的串聯(lián)和并聯(lián)的不同組合,可以制成不同常數(shù)的電導(dǎo)電極。環(huán)狀電極的材料可以是石墨、不銹鋼、鈦合金和鉑金。
  電導(dǎo)電極還有四電極類型和電磁式類型。四電極電導(dǎo)電極的優(yōu)點(diǎn)是可以避免電極極化帶來的測(cè)量誤差,在國(guó)外的實(shí)驗(yàn)式和在線電導(dǎo)率儀上較多使用。電磁式電導(dǎo)電極的特點(diǎn)是適宜于測(cè)量高電導(dǎo)率的溶液,一般用于工業(yè)電導(dǎo)率儀中,或利用其測(cè)量原理制成單組分的濃度計(jì),如鹽酸濃度計(jì)、硝酸濃度計(jì)等。
  
電導(dǎo)電極常數(shù)

  根據(jù)公式K=S/G,電極常數(shù)K可以通過測(cè)量電導(dǎo)電極在一定濃度的KCL溶液中的電導(dǎo)G來求得,此時(shí)KCL溶液的電導(dǎo)率S是已知的。
  由于測(cè)量溶液的濃度和溫度不同,以及測(cè)量?jī)x器的精度和頻率也不同,電導(dǎo)電極常數(shù)K有時(shí)會(huì)出現(xiàn)較大的誤差,使用一段時(shí)間后,電極常數(shù)也可能會(huì)有變化,因此,新購(gòu)的電導(dǎo)電極,以及使用一段時(shí)間后的電導(dǎo)電極,電極常數(shù)應(yīng)重新測(cè)量標(biāo)定,電導(dǎo)電極常數(shù)測(cè)量時(shí)應(yīng)注意以下幾點(diǎn):
  1. 測(cè)量時(shí)應(yīng)采用配套使用的電導(dǎo)率儀,不要采用其它型號(hào)的電導(dǎo)率儀。
  2. 測(cè)量電極常數(shù)的KCL溶液的溫度,以接近實(shí)際被測(cè)溶液的溫度為好。
  3. 測(cè)量電極常數(shù)的KCL溶液的濃度,以接近實(shí)際被測(cè)溶液的濃度為好。
  
電導(dǎo)率的溫度補(bǔ)償

  電導(dǎo)率測(cè)量是與溫度相關(guān)的。溫度對(duì)電導(dǎo)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(dǎo)率;
  Gtcal = 標(biāo)準(zhǔn)溫度(°C)下的電導(dǎo)率;
  Tcal = 溫度修正值;
  α = 標(biāo)準(zhǔn)溫度(°C)下溶液的溫度系數(shù)。
  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(cè)量某個(gè)溫度范圍內(nèi)的電導(dǎo)率,并以溫度為縱軸繪出相應(yīng)的電導(dǎo)率的變化曲線,與標(biāo)準(zhǔn)溫度相對(duì)應(yīng)的曲線點(diǎn)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(chǎng)上所銷售的所有電導(dǎo)儀都可以參照標(biāo)準(zhǔn)溫度(通常為25°C)進(jìn)行調(diào)節(jié)的或自動(dòng)溫度補(bǔ)償。大多數(shù)固定溫度補(bǔ)償?shù)碾妼?dǎo)儀的α調(diào)節(jié)為2%/°C(近似25°C時(shí)氯化鈉溶液的α)。可調(diào)節(jié)溫度補(bǔ)償?shù)碾妼?dǎo)儀可以把α調(diào)節(jié)到更加接近所測(cè)溶液的α。
[編輯本段]我國(guó)的電導(dǎo)率基準(zhǔn)
  我國(guó)和不少國(guó)家的電導(dǎo)率基準(zhǔn)是以相對(duì)測(cè)量法建立的,是一種國(guó)家副基準(zhǔn)。
  將一種純度優(yōu)于99.99%的高純度氯化鉀作為符合國(guó)際推薦的電導(dǎo)率基準(zhǔn)物質(zhì),由它所配制的基準(zhǔn)溶液應(yīng)具有國(guó)際推薦電導(dǎo)率值。以25℃的溶液電導(dǎo)率為超始點(diǎn),相應(yīng)地測(cè)出各個(gè)電導(dǎo)池常數(shù),然后按下式求出其他溫度的電導(dǎo)池常數(shù)K
  K=K0(1-at)
  式中,K0為0℃下電導(dǎo)池常數(shù);a為制作電導(dǎo)池所用玻璃線性膨脹系數(shù);t為溶液溫度,單位℃。
  上式為近似推導(dǎo)結(jié)果,與考慮復(fù)雜情況時(shí)*多不會(huì)超過正負(fù)1xl0^(-5)的差別。再根據(jù)不同溫度下各溶液在相應(yīng)電導(dǎo)池上所實(shí)測(cè)到的電阻值,相應(yīng)地計(jì)算出各溶液在不同溫度下的電導(dǎo)率。因?yàn)殡妼?dǎo)池常數(shù)相對(duì)變化的溫度系數(shù)為-8.49x10^(-6)℃-1,而KCl溶液電導(dǎo)率的溫度系數(shù)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(cè)得的電導(dǎo)率與國(guó)際推薦值—致,則可以認(rèn)為這樣的相對(duì)測(cè)量方法是可靠的,這在以后的國(guó)際樣品比較中得到了驗(yàn)證。其中20℃的國(guó)際推薦值是1972年和1976年IUPAC推薦值。

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