Conditions d'exécution des mesures. Conductimètre numérique pour liquides Unité de mesure de conductivité électrique

La conductivité électrique de l'eau est une propriété très importante de l'eau pour chacun de nous.

Tout le monde devrait savoir que l’eau est généralement conductrice d’électricité. L'ignorance de ce fait peut avoir des conséquences néfastes sur la vie et la santé.

Donnons plusieurs définitions à la notion de conductivité électrique, en général, et à la conductivité électrique de l'eau en particulier.

La conductivité électrique est...

Quantité scalaire qui caractérise la conductivité électrique d'une substance et est égale au rapport entre la densité du courant de conduction électrique et l'intensité du champ électrique.
Propriété d'une substance à conduire un courant électrique invariant dans le temps sous l'influence d'un champ électrique invariant dans le temps.

Dictionnaire explicatif d'Ouchakov
Conductivité électrique (conductivité électrique, pl. no, femelle (physique)) - la capacité de conduire, de transmettre l'électricité.
Dictionnaire explicatif d'Ouchakov. D.N. Ouchakov. 1935-1940

Grande encyclopédie polytechnique
La conductivité électrique ou conductivité électrique est la propriété d'une substance de conduire, sous l'influence d'un champ électrique immuable, un courant électrique qui n'évolue pas dans le temps. L'énergie électromagnétique est causée par la présence de charges électriques mobiles dans une substance - les porteurs de courant. Le type de porteur de courant est déterminé par électron (pour les métaux et les semi-conducteurs), ionique (pour les électrolytes), électron-ion (pour le plasma) et trou (avec l'électron) (pour les semi-conducteurs). En fonction de la conductivité électrique spécifique, tous les corps sont divisés en conducteurs, semi-conducteurs et diélectriques, physiques. l'inverse de la résistance électrique. L'unité SI de conductivité électrique est Siemens (q.v.) ; 1 cm = 1 ohm-1.
Grande encyclopédie polytechnique. — M. : Paix et éducation. Riazantsev V.D.. 2011

La conductivité électrique de l'eau est...

Dictionnaire explicatif terminologique polytechnique
La conductivité électrique de l'eau est un indicateur de la conductivité du courant électrique par l'eau, caractérisant la teneur en sel de l'eau.
Dictionnaire explicatif terminologique polytechnique. Compilation : V. Butakov, I. Fagradyants. 2014

Ouvrage de référence encyclopédique marin
La conductivité électrique de l'eau de mer est la capacité de l'eau de mer à conduire le courant sous l'influence d'un champ électrique externe en raison de la présence de porteurs de charge électrique - des ions de sels dissous, principalement NaCl. La conductivité électrique de l'eau de mer augmente proportionnellement à l'augmentation de sa salinité et est 100 à 1 000 fois supérieure à celle de l'eau de rivière. Cela dépend aussi de la température de l'eau.
Ouvrage de référence encyclopédique marin. - L. : Construction navale. Edité par l'académicien N. N. Isanin. 1986

D'après les définitions ci-dessus, il devient évident que la conductivité électrique de l'eau n'est pas une constante, mais dépend de la présence de sels et d'autres impuretés. Par exemple, la conductivité électrique de l’eau distillée est minime.

Comment connaître la conductivité électrique de l'eau, comment la mesurer...

Conductométrie - mesurer la conductivité électrique de l'eau

Pour mesurer la conductivité électrique de l'eau, la méthode de conductométrie est utilisée (voir les définitions ci-dessous) et les appareils utilisés pour mesurer la conductivité électrique ont un nom en accord avec la méthode - Conductomètres.

La conductométrie est...

Dictionnaire explicatif des mots étrangers
Conductométrie et bien d'autres. maintenant. (Allemand : Konduktométrie< лат. conductor проводник + греч. metreō мерю), тех., хим. — один из видов химического количественного анализа, основанный на измерении электропроводности исследуемого раствора при постепенном добавлении к нему исследуемого реагента.
Dictionnaire explicatif des mots étrangers par L. P. Krysin - M : langue russe, 1998.

Dictionnaire encyclopédique
La conductométrie (de l'anglais conductivity - electric conductivity et du grec meteo - I mesure) est une méthode d'analyse électrochimique basée sur la mesure de la conductivité électrique des solutions. Ils sont utilisés pour déterminer la concentration de solutions de sels, d'acides, de bases, et pour contrôler la composition de certaines solutions industrielles.
Dictionnaire encyclopédique. 2009

Conductivité électrique spécifique de l'eau

Et en conclusion, nous présentons plusieurs valeurs de conductivité électrique spécifique pour différents types d'eau*.

La conductivité électrique spécifique de l’eau est...

Guide du traducteur technique
La conductivité électrique spécifique de l'eau est la conductivité électrique d'une unité de volume d'eau.
[GOST 30813-2002]

Conductivité électrique spécifique de l'eau* :

Eau du robinet – 36,30 µS/m ;
Eau distillée – 0,63 µS/m ;
Boire (en bouteille) – 20,2 µS/m ;
Boire congelé – 19,3 µS/m ;
Gelé à l'eau - 22 µS/m.

* Article « Conductivité électrique des échantillons d'eau potable de différents degrés de pureté » Auteurs : Vorobyova Lyudmila Borisovna. Revue : « Interexpo Geo-Siberia Numéro -5 / Volume 1 / 2012. »

Le produit des concentrations d'ions hydrogène et hydroxyle dans l'eau chimiquement pure est une valeur constante égale à 10 -14 à une température de 25 °C. Il reste inchangé en présence de substances qui se dissocient pour former des ions hydrogène et hydroxyle. Dans l'eau pure, les concentrations en hydrogène et en ions hydroxyle sont de 10 -7 mol/dm 3, ce qui correspond à l'état neutre de la solution. Dans les solutions acides [H + ] > 10 -7 mol/dm 3 et dans les solutions alcalines [H + ]< 10 -7 моль/дм 3 .

Pour plus de commodité, l’expression de la concentration d’ions hydrogène dans l’eau utilise une valeur qui est le logarithme décimal de leur concentration pris avec le signe opposé. Cette quantité est appelée PH et est désigné pH(pH = - log¢).

La valeur du pH est l'un des indicateurs les plus importants de la qualité de l'eau et caractérise l'état de l'équilibre acido-basique de l'eau. Le développement et l'activité vitale du biote aquatique, les formes de migration de divers éléments et l'effet agressif de l'eau sur les roches hôtes, les métaux et le béton dépendent de la valeur du pH.

La valeur du pH des eaux de surface est influencée par l'état d'équilibre carboné, l'intensité des processus de photosynthèse et de décomposition des substances organiques et la teneur en substances humiques.

Dans la plupart des plans d’eau, le pH de l’eau varie généralement entre 6,3 et 8,5. Dans les eaux des rivières et des lacs, les valeurs de pH sont plus faibles en hiver qu'en été.

La valeur du pH des eaux de surface soumises à une pollution intense par les eaux usées ou à l'influence des eaux souterraines peut varier dans des limites plus larges en raison de la présence d'acides ou de bases forts dans leur composition.

Conductivité électrique spécifique (conductivité électrique) - caractéristique quantitative de la capacité de l’eau à conduire le courant électrique. Au sens purement physique, il s'agit de l'inverse de la résistance électrique de l'eau à une température de 25°C, située entre deux électrodes d'une surface de 1 cm 2 dont la distance est de 1 cm. L'unité de conductivité électrique est. Siemens par 1 m (S/m). Pour l'eau, les valeurs dérivées sont utilisées comme unité de mesure - milliSiemens pour 1 m (mS/m) ou microSiemens pour 1 cm (μS/cm).

Dans la plupart des cas, la conductivité électrique spécifique des eaux de surface terrestres est une caractéristique approximative de la concentration d'électrolytes inorganiques dans l'eau - cations Na+ , K + , Ca 2+ , Mg 2+ et Clˉ, SO 4 2-, HCO 3 - anions . La présence d'autres ions, par ex. Fe (II), Fe (III), Mn(II), NO 3 - , HPO 4 2- a généralement peu d'effet sur la valeur de la conductivité électrique, car ces ions se trouvent rarement dans l'eau en quantités significatives. Les ions hydrogène et hydroxyle, dans la gamme de leurs concentrations habituelles dans les eaux de surface terrestres, n'ont pratiquement aucun effet sur la conductivité électrique. L'influence des gaz dissous est également faible.

Ainsi, la conductivité électrique spécifique des eaux de surface terrestres dépend principalement de leur minéralisation et varie généralement de 50 à 10 000 µS/cm.

Le pH de l'eau est mesuré par potentiométrie et la conductivité électrique spécifique est mesurée par la méthode conductométrique à l'aide d'instruments appropriés - pH-mètres (ionomères) et conductomètres. Les appareils modernes (compteurs ionomères-salins) sont équipés de capteurs pour les deux indicateurs et permettent de les mesurer presque simultanément.

AR 52.24.495-2005

DOCUMENT D'ORIENTATION

INDICATEUR D'HYDROGÈNE ET CONDUCTIVITÉ ÉLECTRIQUE SPÉCIFIQUE DE L'EAU. PROCÉDÉ POUR EFFECTUER DES MESURES PAR LA MÉTHODE ÉLECTROMÉTRIQUE

Date d'introduction 2005-07-01

Champ d'application

Ce document d'orientation établit des méthodes pour effectuer des mesures (ci-après dénommées la méthode) de l'indice d'hydrogène dans la plage de 4 à 10 unités. pH et conductivité électrique compris entre 5 et 10 000 µS/cm dans des échantillons d'eaux de surface terrestres et d'eaux usées traitées par méthode électrométrique.

Caractéristiques des erreurs de mesure

Méthode de mesure

Lors de la mesure du pH de l'eau à l'aide de la méthode électrométrique, on utilise un système composé d'une électrode en verre dont le potentiel dépend de la concentration (activité) des ions hydrogène et d'une électrode auxiliaire. Lorsqu'il est immergé dans un échantillon d'eau, le système d'électrodes développe une force électromotrice qui dépend linéairement de l'activité des ions hydrogène.

La mesure de la conductivité électrique repose sur la mesure de la résistance électrique d'une solution située entre deux électrodes de platine (platinées) d'une surface de 1 cm 2 dont la distance est de 1 cm.

Lorsque la température change de 1 °C, la valeur de la conductivité électrique spécifique change (augmente avec l'augmentation de la température) d'environ 2 %. Par conséquent, pour éliminer cette erreur, les mesures sont effectuées sur un échantillon à température contrôlée ou à l'aide d'un compensateur de température automatique. Sinon, des corrections appropriées sont apportées aux résultats.

Exigences de sécurité et environnementales

où v t est la valeur de la conductivité électrique spécifique à la température de mesure, µS/cm ;

f - correction de température (Annexe).

Si l'appareil est calibré dans d'autres unités, le résultat de la mesure doit être converti en microsiemens par centimètre.

où pH est la moyenne arithmétique de deux résultats dont la différence ne dépasse pas la limite de répétabilité r (0,06 unité pH).

où : v est la moyenne arithmétique de deux résultats dont la différence ne dépasse pas la limite de répétabilité r (2,77 sr);

±D - limites d'erreur de mesure ( tableau ).

Dans ce cas, la température réelle de mesure est indiquée si une correction automatique ou mathématique du résultat a été effectuée. Les valeurs numériques du résultat de la mesure doivent se terminer par un chiffre du même chiffre que les valeurs de la caractéristique d'erreur.

12 Contrôle qualité des résultats de mesures lors de la mise en œuvre de la technique en laboratoire

3 Lors de la mise en œuvre de la technique en laboratoire, il est prévu :

Contrôle opérationnel par l'exécutant de la procédure de mesure (basé sur une évaluation de la répétabilité lors de la mise en œuvre d'une procédure de contrôle distincte) ;

Surveillance de la stabilité des résultats de mesure (basée sur la surveillance de la stabilité de l'écart type de répétabilité).

L'algorithme de contrôle opérationnel par l'exécutant de la procédure de mesure est donné dans le RD 52.24.495-2005.

La fréquence du contrôle opérationnel et les procédures de contrôle de la stabilité des résultats de mesure sont réglementées dans le manuel qualité du laboratoire.

Métrologue en chef de l'Institut national de chimie A.A. Nazarova

La capacité des électrolytes à devenir conducteurs lorsqu’un courant électrique leur est appliqué est appelée conductivité électrolytique. Considérons les électrolytes salins et acides, ainsi que les électrolytes basiques liés aux solutions aqueuses. Ces substances diffèrent en ce que la concentration d'anions (ions chargés négativement) et de cations (ions chargés positivement) qui s'y forment en raison de la dissociation électrolytique 2 est assez élevée. Les solutions électrolytiques appartiennent au deuxième type de conducteurs. Leur conductivité dans un champ électrique, contrairement au premier groupe de conducteurs, est due à l'activité ionique.

Les conducteurs ont la capacité de résister (R). Selon la loi d'Ohm, cette quantité est directement proportionnelle à la longueur du conducteur ( je ), et il est inversement proportionnel à la surface (S) de sa section transversale. Coefficient de proportionnalité - un indicateur de la résistivité (ρ) d'un conducteur d'un centimètre de long et d'une section de 1 cm2 :

La conductivité électrique est désignée Cm (S) et est mesurée en unités SI - en Siemens. On obtient l'expression suivante : Ohm −1 = kg −1 .m −2 .s 3 A 2 .

Distinguer spécifique à la conductivité électrique ( K- kappa) et molaireou sinon équivalent ( Λ - lambda) 3 .

Remarque 1 : Les concentrations sont données en grammes par kilogramme de solution.

Note 2:Le terme « dissociation électrolytique » désigne une décomposition moléculaire partielle ou complète en cations et anions de la substance soluble.

Note 3 : L'utilisation du terme « conductivité électrique équivalente » n'est pas recommandée. La base est constituée d'instructions élaborées par la Commission de l'Union de Chimie Pure et Appliquée. La nomenclature électrochimique internationale de l'UICPA a adopté le terme "conductivité molaire".

1. Conductivité électrique

Il est utilisé pour quantifier la capacité des solutions électrolytiques à conduire le courant. C'est l'inverse de la résistance spécifique - un indicateur de la solution remplissant l'espace entre les électrodes d'une superficie de 1 cm2, placées à un centimètre les unes des autres :

Cette valeur est déterminée par la nature de la solution électrolytique, sa température et sa saturation. La conductivité électrique spécifique augmente avec l'augmentation de la température, ce qui constitue une caractéristique distinctive de ces électrolytes par rapport aux conducteurs du premier type. La vitesse de déplacement des ions augmente en raison d'une diminution de la solvatation des ions et d'une diminution de la viscosité de la solution.

La figure 1 montre clairement comment la conductivité électrique spécifique change en fonction de la concentration des solutions. L'unité de mesure de cette valeur est S/m - Siemens par mètre (1 S/m = 1 Ohm-1m-1). La dérivée la plus couramment utilisée est le µS/cm.

La conductivité électrique spécifique augmente d'abord avec l'augmentation de la saturation et, après avoir atteint un certain maximum, diminue. Il est à noter que pour les électrolytes forts la dépendance est clairement exprimée, mais pour les solutions faibles elle est beaucoup plus faible. La présence d'indicateurs avec des valeurs limites sur les courbes des solutions fortes indique que la vitesse de mouvement ionique dans les électrolytes dilués ne dépend que légèrement de leur saturation et augmente initialement en proportion directe avec le nombre d'ions. Avec une concentration croissante, l'interaction des ions augmente, ce qui entraîne une diminution de la vitesse de déplacement. La section maximale sur la courbe de l'électrolyte faible est due à une diminution du degré de dissociation provoquée par une augmentation de la concentration. Ayant atteint une certaine saturation, la concentration augmente plus vite que la teneur numérique en ions de la solution. Pour décrire l'effet de l'interaction ionique et de la saturation des électrolytes sur leur conductivité électrique, le concept «conductivité molaire ».

2. Conductivité molaire

Λ (conductivité électrique molaire- voir la note 4) - la valeur réciproque de la résistance électrolytique pour un conducteur contenant 1 mole de substance, placé entre des électrodes installées à une distance centimétrique les unes des autres. Pour déterminer la relation entre la conductivité électrique molaire et la concentration molaire de la solution (M) et la conductivité électrique spécifique (K), la relation suivante est dérivée :

Remarque 4 : Conductivité électrique de la solution électrolytique 1N appelééquivalent (Λ = 1000 À /N). La concentration (N) est exprimée en g-eq/l. Cependant, les instructions de l'IUPAC ne recommandent pas d'utiliser le terme « conductivité électrique équivalente ».

La conductivité électrique molaire par rapport aux électrolytes forts et faibles progresse avec une concentration décroissante (c'est-à-dire avec une diminution de la saturation de la solution (V = 1/M), sa conductivité électrique augmente). Elle atteint la limiteΛ 0. Ce maximum est appeléconductivité électrique molaire à dilution infinie.

Pour les électrolytes faibles (Fig. 2), la dépendance de cette valeur à la concentration est principalement déterminée par une augmentation du degré de dissociation provoquée par la dilution de la solution électrolytique. Dans les électrolytes forts, à mesure que la saturation diminue, l'interaction des ions s'affaiblit. L'intensité de leurs mouvements augmente, ce qui entraîneaugmenter la conductivité électrique molaire de la solution.

Les recherches de F. Kohlrausch montrent comment chaque ion contribue à la conductivité électrique molaire des électrolytes dans des solutions infiniment diluées (dilution ultime). Il a déterminé que λ0 (conductivité ionique limite) est la somme des conductivités molaires présentées par le cation et l'anion, et a également dérivé la formulationloi d'indépendance du mouvement des ions :

A dilution infinie de l'électrolyte, la conductivité électrique molaire est égale à la somme des mobilités cationique et anionique dans la solution électrolytique :

Λ 0 = K 0 + + K 0 - (4)

3. Facteurs déterminant la conductivité électrique d'une solution

La concentration en sel et la température sont les principaux facteurs déterminant la conductivité électrique aqueuse. Le principal composant minéral de l’eau dans la nature :

Cations K + , Na + , Mg 2+ , Ca 2+ ;

Anions HCO 3 - , Cl - , SO 4 2- .

D'autres ions sont également présents (Al 3+, Fe 3+, Mn 2+, Fe 2+, H 2 PO 4 -, NO 3 -, HPO 4 2-), mais leur effet sur la conductivité électrique est insignifiant, car généralement leur contenu dans l'eau peu. Les valeurs de conductivité électrique permettent de juger du niveau de sa minéralisation. Dans la nature, la conductivité électrique spécifique de l'eau est de 100 à 2 000 µS/cm avec une salinité de 50 à 1 000 mg/l (en cas de précipitation -10 à 120 µS/cm avec une salinité de 3 à 60 mg/l).

4. Conductivité électrique. Effectuer des calculs

En appliquant les formules 3 et 4, et en ayant sous la main les indicateurs de conductivités électriques ioniques ( À), il est possible de calculer la conductivité électrique ( À EtΛ ) pour toute solution :

K = (K + + K - ) M /1000 (5)

Dans le tableau 1 donné ici, vous pouvez trouver les conductivités électriques ioniques et limites caractéristiques des ions courants dans les solutions diluées (température + 18 ° C).

Tableau 1

Exemple 1: Il est nécessaire d'effectuer des calculs basés sur la conductivité électrique spécifique (K). Solution de KCl (chlorure de potassium) 0,0005 M.

Solution: La dissociation du KCl dans les solutions aqueuses se produit en ions K + et Cl -. A l'aide de l'ouvrage de référence ou des données données dans le tableau 6, on retrouve les indicateurs de conductivités électriques ioniques à 18°C dans les solutions diluées :

Concentration en ions K + - 0,0005 M (λ = 63,7 Ohm -1 cm 2 mol -1) ;

Concentration en ions Cl - - 0,0005 M (λ = 64,4 Ohm -1. cm 2. mol -1).

Si vous devez calculer la conductivité électrique spécifique d'une solution électrolytique contenant un mélange de divers ions, la formule prend la forme suivante :

k = Σ λ je Mi /1000 (6)

Calcul, n Ce qui précède est vrai pour les électrolytes forts. Pour les solutions faibles, il faudra recourir à des calculs complémentaires liés à l'utilisation des constantes de dissociation et à la détermination de la saturation en ions libres. Conductivité électrique molaire, par exemple, d'une solution d'acide acétique 0,001 M -Λ = 41 Ohm-1.cm2.mol-1 (18 °C), cependant, l'application de la formule (6) donnera une valeur approximativement égale à 351,9 Ohm -1.cm 2.mol -1.

Exemple 2 : Il est nécessaire de connaître la conductivité électrique spécifique (k) pour une solution d'acide acétique 0,001 M (CH3COOH).

Solution: La dissociation des solutions aqueuses faibles d'acide acétique se produit en ions CH 3 COO - et H + (CH 3 COOH ↔ H + + CH 3 COO -).

Constante - KSN 3 COOH = [H+]. / [CH3COOH].

Pour un acide monobasique - [H+] = = x.

La saturation en molécules dissociées d'un acide faible par rapport à la concentration totale est trop faible et peut donc être considérée comme égale à M (M = 0,001 mol/l).

KSN 3 COOH = x 2 /M, K CH3COOH = 1,8. 10-5.

Selon la condition : saturation en acide 0,001 M (0,001 g-équiv/l).

Disposer de données sur la saturation des ions H + et CH 3 COO -, ainsi que sur leur conductivité électrique (λ n+ 0,001 = 311 Ohm -1. cm 2. mol -1, λ снсоо- 0,001 ≈ 40,9 Ohm -1. cm 2. mol -1), la conductivité électrique spécifique « k » est calculée.

k = (311 + 40,9) . 0,001/1000 = 3,52.10 -4 Ohm -1 cm -1 (S/cm) ou 352 µS/cm.

Chers Messieurs, si vous avez besoin de corriger l'indicateur « Conductivité électrique » pour amener la qualité de l'eau à certaines normes, veuillez en faire la demande aux spécialistes de l'entreprise. Batelier. Nous vous proposerons le schéma technologique optimal pour la purification de l'eau.

Longueur et distance Masse Mesures de volume de solides en vrac et de denrées alimentaires Surface Volume et unités de mesure dans les recettes culinaires Température Pression, contrainte mécanique, module d'Young Énergie et travail Puissance Force Temps Vitesse linéaire Angle plan Efficacité thermique et efficacité énergétique Nombres Unités de mesure de la quantité d'informations Taux d'échange Dimensions vêtements et chaussures pour femmes Tailles de vêtements et chaussures pour hommes Vitesse angulaire et fréquence de rotation Accélération Accélération angulaire Densité Volume spécifique Moment d'inertie Moment de force Couple Chaleur spécifique de combustion (en masse) Densité énergétique et chaleur spécifique de combustion du carburant (en volume) Différence de température Coefficient de dilatation thermique Résistance thermique Conductivité thermique spécifique Capacité thermique spécifique Exposition énergétique, puissance de rayonnement thermique Densité du flux thermique Coefficient de transfert thermique Débit volumique Débit massique Débit molaire Densité du débit massique Concentration molaire Concentration massique dans la solution Viscosité dynamique (absolue) Viscosité cinématique Tension superficielle Perméabilité à la vapeur Perméabilité à la vapeur, taux de transfert de vapeur Niveau sonore Sensibilité du microphone Niveau de pression acoustique (SPL) Luminosité Intensité lumineuse Éclairage Infographie Résolution Fréquence et longueur d'onde Puissance dioptrique et distance focale Puissance dioptrique et grossissement de l'objectif (×) Charge électrique Densité de charge linéaire Densité de charge de surface Densité de charge volumique Courant électrique Densité linéaire de courant Densité de courant de surface Intensité du champ électrique Potentiel et tension électrostatiques Résistance électrique Résistivité électrique Conductivité électrique Conductivité électrique Capacité électrique Inductance Calibre de fil américain Niveaux en dBm (dBm ou dBmW), dBV (dBV), watts et autres unités Force magnétomotrice Champs de force magnétique Flux magnétique Induction magnétique Débit de dose absorbée de rayonnements ionisants Radioactivité. Désintégration radioactive Rayonnement. Dose d'exposition Rayonnement. Dose absorbée Préfixes décimaux Transfert de données Typographie et traitement d'images Unités de volume de bois Calcul de la masse molaire Tableau périodique des éléments chimiques D. I. Mendeleev

Valeur initiale

Valeur convertie

siemens par mètre picosiemens par mètre mo par mètre mo par centimètre abmo par mètre abmo par centimètre statmo par mètre statmo par centimètre siemens par centimètre millisiemens par mètre millisiemens par centimètre microsiemens par mètre microsiemens par centimètre unité conventionnelle de conductivité électrique coefficient conventionnel de conductivité électrique ppm , coefficient. recalcul 700 ppm, coefficient. recalcul 500 ppm, coefficient. recalcul 640 TDS, ppm, coefficient. recalcul 640 TDS, ppm, coefficient. recalcul 550 TDS, ppm, coefficient. recalcul 500 TDS, ppm, coefficient. recalcul 700

En savoir plus sur la conductivité électrique

Introduction et définitions

Conductivité électrique spécifique (ou conductivité électrique) est une mesure de la capacité d'une substance à conduire le courant électrique ou à déplacer des charges électriques à l'intérieur de celle-ci. Il s’agit du rapport entre la densité de courant et l’intensité du champ électrique. Si l'on considère un cube de matériau conducteur de 1 mètre de côté, alors la conductivité sera égale à la conductivité électrique mesurée entre deux côtés opposés de ce cube.

La conductivité spécifique est liée à la conductivité par la formule suivante :

G = σ(A/l)

Où g- conductivité électrique, σ - conductivité électrique spécifique, UN- section du conducteur perpendiculaire à la direction du courant électrique et je- longueur du conducteur. Cette formule peut être utilisée avec n’importe quel conducteur en forme de cylindre ou de prisme. A noter que cette formule peut également être utilisée pour un parallélépipède rectangle, car il s'agit d'un cas particulier de prisme dont la base est un rectangle. Rappelons que la conductivité électrique est l'inverse de la résistivité électrique.

Il peut être difficile pour des personnes éloignées de la physique et de la technologie de comprendre la différence entre la conductivité d'un conducteur et la conductivité spécifique d'une substance. En attendant, bien sûr, il s’agit de grandeurs physiques différentes. La conductivité est une propriété d'un conducteur ou d'un dispositif donné (tel qu'une résistance ou un bain de placage), tandis que la conductivité est une propriété inhérente au matériau à partir duquel ce conducteur ou ce dispositif est fabriqué. Par exemple, la conductivité du cuivre est toujours la même, quelles que soient les modifications de la forme et de la taille d'un objet en cuivre. Dans le même temps, la conductivité d'un fil de cuivre dépend de sa longueur, de son diamètre, de sa masse, de sa forme et de certains autres facteurs. Bien entendu, des objets similaires fabriqués à partir de matériaux ayant une conductivité plus élevée ont une conductivité plus élevée (mais pas toujours).

Dans le Système international d'unités (SI), l'unité de conductivité électrique est Siemens par mètre (S/m). L'unité de conductivité qu'il contient porte le nom du scientifique, inventeur et entrepreneur allemand Werner von Siemens (1816-1892). Fondée par lui en 1847, Siemens AG (Siemens) est l'une des plus grandes entreprises produisant des équipements électriques, électroniques, énergétiques, de transport et médicaux.

La gamme de conductivité électrique est très large : depuis les matériaux à haute résistivité comme le verre (qui conduit d'ailleurs bien l'électricité s'il est chauffé au rouge) ou le polyméthacrylate de méthyle (plexiglas) jusqu'aux très bons conducteurs comme l'argent, le cuivre ou l'or. La conductivité électrique est déterminée par le nombre de charges (électrons et ions), la vitesse à laquelle elles se déplacent et la quantité d'énergie qu'elles peuvent transporter. Les solutions aqueuses de diverses substances, utilisées par exemple dans les bains de placage, ont des valeurs de conductivité moyennes. Un autre exemple d'électrolytes avec des valeurs de conductivité moyennes est l'environnement interne du corps (sang, plasma, lymphe et autres fluides).

La conductivité des métaux, des semi-conducteurs et des diélectriques est abordée en détail dans les articles suivants du site Web Physical Quantity Converter : et Conductivité électrique. Dans cet article, nous aborderons plus en détail la conductivité spécifique des électrolytes, ainsi que les méthodes et équipements simples pour la mesurer.

Conductivité électrique spécifique des électrolytes et sa mesure

La conductivité spécifique des solutions aqueuses dans lesquelles un courant électrique apparaît à la suite du mouvement d'ions chargés est déterminée par le nombre de porteurs de charge (la concentration de la substance dans la solution), la vitesse de leur mouvement (la mobilité des ions dépend de la température) et de la charge qu'ils portent (déterminée par la valence des ions). Ainsi, dans la plupart des solutions aqueuses, une augmentation de la concentration entraîne une augmentation du nombre d’ions et, par conséquent, une augmentation de la conductivité. Cependant, après avoir atteint un certain maximum, la conductivité spécifique de la solution peut commencer à diminuer avec une nouvelle augmentation de la concentration de la solution. Par conséquent, des solutions contenant deux concentrations différentes du même sel peuvent avoir la même conductivité.

La température affecte également la conductivité car à mesure que la température augmente, les ions se déplacent plus rapidement, ce qui entraîne une augmentation de la conductivité. L'eau pure est un mauvais conducteur d'électricité. L'eau distillée ordinaire, qui contient du dioxyde de carbone de l'air en équilibre et une minéralisation totale inférieure à 10 mg/l, a une conductivité électrique spécifique d'environ 20 mS/cm. La conductivité spécifique des différentes solutions est indiquée dans le tableau ci-dessous.

Pour déterminer la conductivité spécifique d'une solution, un appareil de mesure de résistance (ohmmètre) ou de conductivité est utilisé. Ce sont des appareils presque identiques, ne différant que par leur échelle. Les deux mesurent la chute de tension dans la section du circuit à travers laquelle le courant électrique circule depuis la batterie de l'appareil. La valeur de conductivité mesurée est convertie manuellement ou automatiquement en conductivité spécifique. Ceci est effectué en tenant compte des caractéristiques physiques de l'appareil de mesure ou du capteur. Les capteurs de conductivité sont simples : il s’agit d’une paire (ou deux paires) d’électrodes immergées dans un électrolyte. Les capteurs pour mesurer la conductivité se caractérisent par constante du capteur de conductivité, qui dans le cas le plus simple est défini comme le rapport de la distance entre les électrodes Dà la zone (électrode) perpendiculaire au flux de courant UN

Cette formule fonctionne bien si la surface des électrodes est nettement plus grande que la distance qui les sépare, puisque dans ce cas la majeure partie du courant électrique circule entre les électrodes. Exemple : pour 1 centimètre cube de liquide K = D/A= 1 cm/1 cm² = 1 cm⁻¹. Notez que les capteurs de conductivité dotés de petites électrodes espacées sur une distance relativement grande se caractérisent par des valeurs constantes de capteur de 1,0 cm⁻¹ et plus. Dans le même temps, les capteurs dotés d'électrodes relativement grandes situées à proximité les unes des autres ont une constante de 0,1 cm⁻¹ ou moins. La constante du capteur pour mesurer la conductivité électrique de divers appareils varie de 0,01 à 100 cm⁻¹.

Constante théorique du capteur : gauche - K= 0,01 cm⁻¹, à droite - K= 1 cm⁻¹

Pour obtenir la conductivité à partir de la conductivité mesurée, la formule suivante est utilisée :

σ = K∙G

σ - conductivité spécifique de la solution en S/cm ;

K- constante du capteur en cm⁻¹ ;

g- conductivité du capteur chez Siemens.

La constante du capteur n'est généralement pas calculée à partir de ses dimensions géométriques, mais est mesurée dans un appareil de mesure spécifique ou dans une configuration de mesure spécifique utilisant une solution de conductivité connue. Cette valeur mesurée est saisie dans le conductimètre, qui calcule automatiquement la conductivité à partir des valeurs mesurées de conductivité ou de résistance de la solution. Étant donné que la conductivité dépend de la température de la solution, les appareils pour la mesurer contiennent souvent un capteur de température qui mesure la température et assure une compensation automatique de la température des mesures, c'est-à-dire normalisant les résultats à une température standard de 25 ° C. .

Le moyen le plus simple de mesurer la conductivité consiste à appliquer une tension à deux électrodes plates immergées dans une solution et à mesurer le courant circulant. Cette méthode est appelée potentiométrique. D'après la loi d'Ohm, la conductivité g est le rapport du courant jeà la tension U:

Cependant, tout n'est pas aussi simple que décrit ci-dessus : la mesure de la conductivité pose de nombreux problèmes. Si du courant continu est utilisé, les ions s'accumulent à la surface des électrodes. Une réaction chimique peut également se produire à la surface des électrodes. Cela conduit à une augmentation de la résistance de polarisation sur les surfaces des électrodes, ce qui conduit à des résultats erronés. Si vous essayez de mesurer la résistance, par exemple, d'une solution de chlorure de sodium avec un testeur conventionnel, vous verrez clairement comment les lectures sur l'écran d'un appareil numérique changent assez rapidement dans le sens d'une résistance croissante. Pour éliminer l’influence de la polarisation, un capteur à quatre électrodes est souvent utilisé.

La polarisation peut également être évitée ou, en tout cas, réduite si elle est utilisée au lieu d'être constante pendant la mesure, et même la fréquence peut être ajustée en fonction de la conductivité. Les basses fréquences sont utilisées pour mesurer une faible conductivité, là où l'influence de la polarisation est faible. Des fréquences plus élevées sont utilisées pour mesurer des conductivités élevées. Généralement, la fréquence est ajustée automatiquement pendant le processus de mesure, en tenant compte des valeurs de conductivité obtenues de la solution. Les conductivimètres numériques modernes à deux électrodes utilisent généralement des formes d'onde de courant alternatif complexes et une compensation de température. Ils sont calibrés en usine, mais un réétalonnage est souvent nécessaire pendant le fonctionnement, car la constante de la cellule de mesure (capteur) change avec le temps. Par exemple, cela peut changer lorsque les capteurs sont sales ou lorsque les électrodes subissent des modifications physiques et chimiques.

Dans un conductivimètre traditionnel à deux électrodes (c'est celui que nous utiliserons dans notre expérience), une tension alternative est appliquée entre deux électrodes et le courant circulant entre les électrodes est mesuré. Cette méthode simple présente un inconvénient : non seulement la résistance de la solution est mesurée, mais également la résistance provoquée par la polarisation des électrodes. Pour minimiser l'influence de la polarisation, une conception de capteur à quatre électrodes est utilisée, ainsi que le revêtement des électrodes avec du noir de platine.

Minéralisation générale

Les appareils de mesure de la conductivité électrique sont souvent utilisés pour déterminer minéralisation totale ou teneur en matières solides(eng. matières dissoutes totales, TDS). Il s'agit d'une mesure de la quantité totale de substances organiques et inorganiques contenues dans un liquide sous diverses formes : ionisée, moléculaire (dissoute), colloïdale et en suspension (non dissoute). Les solutés incluent tous les sels inorganiques. Il s'agit principalement de chlorures, de bicarbonates et de sulfates de calcium, de potassium, de magnésium, de sodium, ainsi que de certaines substances organiques dissoutes dans l'eau. Pour être classées comme minéralisation totale, les substances doivent être soit dissoutes, soit sous forme de particules très fines traversant des filtres dont les pores ont un diamètre inférieur à 2 micromètres. Les substances qui sont constamment en suspension dans une solution, mais ne peuvent pas traverser un tel filtre, sont appelées matières solides en suspension(eng. matières totales en suspension, TSS). Les matières totales en suspension sont couramment mesurées pour déterminer la qualité de l’eau.

Il existe deux méthodes pour mesurer la teneur en matières solides : analyse gravimétrique, qui est la méthode la plus précise, et mesure de conductivité. La première méthode est la plus précise, mais nécessite beaucoup de temps et de matériel de laboratoire, car l'eau doit être évaporée pour obtenir un résidu sec. Cela se fait généralement à 180°C dans des conditions de laboratoire. Après évaporation complète, le résidu est pesé sur une balance de précision.

La deuxième méthode n'est pas aussi précise que l'analyse gravimétrique. Cependant, il s’agit d’une méthode très pratique, répandue et la plus rapide, puisqu’il s’agit d’une simple mesure de conductivité et de température effectuée en quelques secondes avec un instrument de mesure peu coûteux. La méthode de mesure de la conductivité électrique spécifique peut être utilisée du fait que la conductivité spécifique de l'eau dépend directement de la quantité de substances ionisées qui y sont dissoutes. Cette méthode est particulièrement pratique pour surveiller la qualité de l’eau potable ou estimer le nombre total d’ions dans une solution.

La conductivité mesurée dépend de la température de la solution. Autrement dit, plus la température est élevée, plus la conductivité est élevée, car les ions dans une solution se déplacent plus rapidement à mesure que la température augmente. Pour obtenir des mesures indépendantes de la température, le concept de température standard (de référence) est utilisé à laquelle les résultats de mesure sont réduits. La température de référence permet de comparer les résultats obtenus à différentes températures. Ainsi, un conductimètre peut mesurer la conductivité réelle puis utiliser une fonction de correction qui ajustera automatiquement le résultat à une température de référence de 20 ou 25°C. Si une très grande précision est requise, l’échantillon peut être placé dans un incubateur, puis l’appareil de mesure peut être calibré à la même température que celle utilisée dans les mesures.

La plupart des conductivimètres modernes disposent d'un capteur de température intégré, utilisé à la fois pour la correction et la mesure de la température. Les instruments les plus avancés sont capables de mesurer et d'afficher les valeurs mesurées en unités de conductivité, résistivité, salinité, salinité totale et concentration. Cependant, on constate encore une fois que tous ces appareils ne mesurent que la conductivité (résistance) et la température. Toutes les grandeurs physiques affichées à l'écran sont calculées par l'appareil en tenant compte de la température mesurée, qui est utilisée pour la compensation automatique de la température et pour ramener les valeurs mesurées à une température standard.

Expérience : mesure de la minéralisation totale et de la conductivité

Enfin, nous réaliserons plusieurs expériences pour mesurer la conductivité à l'aide d'un compteur de minéralisation totale TDS-3 peu coûteux (également appelé salinomètre, salinomètre ou conductimètre). Le prix de l'appareil TDS-3 « sans nom » sur eBay, livraison comprise, au moment de la rédaction de cet article, est inférieur à 3,00 $ US. Exactement le même appareil, mais avec le nom du fabricant, coûte 10 fois plus cher. Mais c'est pour ceux qui aiment payer pour la marque, même s'il y a une très forte probabilité que les deux appareils soient produits dans la même usine. Le TDS-3 effectue une compensation de température et est équipé à cet effet d'un capteur de température situé à côté des électrodes. Il peut donc également être utilisé comme thermomètre. Il convient de noter encore une fois que l'appareil ne mesure pas réellement la minéralisation elle-même, mais la résistance entre deux fils-électrodes et la température de la solution. Il calcule automatiquement tout le reste à l'aide de facteurs d'étalonnage.

Un compteur de minéralisation totale peut vous aider à déterminer la teneur en matières solides, par exemple lors de la surveillance de la qualité de l'eau potable ou de la détermination de la salinité de l'eau d'un aquarium ou d'un étang d'eau douce. Il peut également être utilisé pour surveiller la qualité de l’eau dans les systèmes de filtration et de purification de l’eau afin de savoir quand il est temps de remplacer le filtre ou la membrane. L'instrument est calibré en usine avec une solution de chlorure de sodium à 342 ppm (parties par million ou mg/L), NaCl. La plage de mesure de l'appareil est de 0 à 9990 ppm ou mg/l. PPM - partie par million, une unité de mesure sans dimension de valeurs relatives, égale à 1 10⁻⁶ de l'indicateur de base. Par exemple, une concentration massique de 5 mg/kg = 5 mg dans 1 000 000 mg = 5 ppm ou ppm. Tout comme un pourcentage vaut un centième, un ppm vaut un millionième. Les pourcentages et les ppm ont une signification très similaire. Les parties par million, par opposition aux pourcentages, sont utiles pour indiquer la concentration de solutions très faibles.

L'appareil mesure la conductivité électrique entre deux électrodes (c'est-à-dire l'inverse de la résistance), puis convertit le résultat en conductivité électrique spécifique (dans la littérature anglaise, l'abréviation EC est souvent utilisée) en utilisant la formule de conductivité ci-dessus, en tenant compte de la constante du capteur. K, effectue ensuite une autre conversion en multipliant la conductivité résultante par un facteur de conversion de 500. Le résultat est une valeur de salinité totale en parties par million (ppm). Plus de détails à ce sujet ci-dessous.

Ce compteur de minéralisation totale ne peut pas être utilisé pour tester la qualité de l'eau à forte teneur en sel. Des exemples de substances à forte teneur en sel sont certains aliments (soupe ordinaire avec une teneur normale en sel de 10 g/l) et l'eau de mer. La concentration maximale de chlorure de sodium que cet appareil peut mesurer est de 9990 ppm soit environ 10 g/l. Il s'agit de la concentration typique de sel dans les aliments. Cet appareil ne peut pas non plus mesurer la salinité de l'eau de mer, car elle est généralement de 35 g/l ou 35 000 ppm, ce qui est bien plus élevé que ce que l'appareil peut mesurer. Si vous essayez de mesurer une concentration aussi élevée, l'instrument affichera le message d'erreur Err.

Le salinimètre TDS-3 mesure la conductivité spécifique et utilise ce que l'on appelle « l'échelle 500 » (ou « échelle NaCl ») pour l'étalonnage et la conversion en concentration. Cela signifie que pour obtenir la concentration en ppm, la valeur de conductivité en mS/cm est multipliée par 500. Autrement dit, par exemple, 1,0 mS/cm est multiplié par 500 pour obtenir 500 ppm. Différentes industries utilisent différentes échelles. Par exemple, en culture hydroponique, trois échelles sont utilisées : 500, 640 et 700. La seule différence entre elles réside dans l'utilisation. L'échelle 700 est basée sur la mesure de la concentration de chlorure de potassium dans une solution et la conversion de la conductivité spécifique en concentration est effectuée comme suit :

1,0 mS/cm x 700 donne 700 ppm

L'échelle 640 utilise un facteur de conversion de 640 pour convertir les mS en ppm :

1,0 mS/cm x 640 donne 640 ppm

Dans notre expérience, nous mesurerons d’abord la minéralisation totale de l’eau distillée. Le salinité indique 0 ppm. Le multimètre affiche une résistance de 1,21 MOhm.

Pour l'expérience, nous préparerons une solution de chlorure de sodium NaCl avec une concentration de 1 000 ppm et mesurerons la concentration à l'aide du TDS-3. Pour préparer 100 ml de solution, nous devons dissoudre 100 mg de chlorure de sodium et ajouter de l'eau distillée à 100 ml. Pesez 100 mg de chlorure de sodium et placez-le dans une éprouvette graduée, ajoutez un peu d'eau distillée et remuez jusqu'à ce que le sel soit complètement dissous. Ajoutez ensuite de l'eau jusqu'à la marque 100 ml et mélangez à nouveau soigneusement.

Pour déterminer expérimentalement la conductivité, nous avons utilisé deux électrodes constituées du même matériau et ayant les mêmes dimensions que les électrodes TDS-3. La résistance mesurée était de 2,5 KOhm.

Maintenant que nous connaissons la résistance et la concentration en ppm de chlorure de sodium, nous pouvons calculer approximativement la constante de cellule du salinité TDS-3 en utilisant la formule ci-dessus :

K = σ/G= 2 mS/cm x 2,5 kOhms = 5 cm⁻¹

Cette valeur de 5 cm⁻¹ est proche de la valeur constante calculée de la cellule de mesure TDS-3 avec les dimensions d'électrode indiquées ci-dessous (voir figure).

D = 0,5 cm - distance entre les électrodes ;
W = 0,14 cm - largeur des électrodes
L = 1,1 cm - longueur des électrodes

La constante du capteur TDS-3 est K = D/A= 0,5/0,14x1,1 = 3,25 cm⁻¹. Ce n'est pas très différent de la valeur obtenue ci-dessus. Rappelons que la formule ci-dessus ne permet qu'une estimation approximative de la constante du capteur.

Trouvez-vous difficile de traduire des unités de mesure d’une langue à une autre ? Les collègues sont prêts à vous aider. Poster une question dans TCTerms et dans quelques minutes, vous recevrez une réponse.

Vous vous souvenez du cours de physique que la résistance électrique de n'importe quel conducteur peut être calculée à l'aide de la formule :

où R est la résistance en Ohms ;

l - longueur du conducteur, cm ;

S - surface de la section transversale, cm 2 ;

r - résistivité, c'est-à-dire la résistance d'un conducteur de 1 cm de long avec une section transversale de 1 cm 2.

En électrochimie, il est d'usage d'utiliser les grandeurs réciproques indiquées :

La quantité L est appelée conductivité électrique et se mesure en Siemens (Sm) Sm = Ohm -1.

La quantité À est appelée conductivité électrique spécifique. Il est facile de déduire que la valeur À se mesure en cm×cm -1. Sur la figure 3.1. une cellule conductométrique utilisée pour mesurer la conductivité électrique est présentée. Il s'agit d'un récipient 1, sans fond, dans lequel sont insérées deux électrodes de platine 2, placées dans la solution à tester 3.

La valeur de K est déterminée expérimentalement. Pour ce faire, il faut mesurer la conductivité électrique L d'une solution pour laquelle À est connue. Habituellement, on utilise à cet effet des solutions de chlorure de potassium de concentration connue (0,1 ; 0,05 ; 0,01 mol/dm 3), dont les valeurs sont disponibles dans les tableaux.

De l'équation (3.5.), il s'ensuit que

La conductivité spécifique est la conductivité électrique d'une solution placée entre deux électrodes d'une surface de 1 cm2, situé à une distance de 1 cm.

plus d'ions qui transportent l'électricité. Dans les solutions diluées d'électrolytes forts et faibles, une augmentation de la concentration entraîne une augmentation de la conductivité, qui est associée à une augmentation du nombre d'ions. Dans la région des concentrations élevées, une diminution de À est observée. Pour les électrolytes forts, cela est dû à une augmentation de la viscosité des solutions et à une augmentation de l'interaction électrostatique entre les ions. Pour les électrolytes faibles, cet effet est associé à une diminution du degré de dissociation et, par conséquent, à une diminution du nombre d'ions.

À mesure que la température augmente, la conductivité spécifique des électrolytes augmente :

À 2 = À 1 [ 1 + une(T 2 - T 1)] (3.7.)

Dans cette équation, À 1 et À 2 sont la conductivité aux températures T 1 et T 2, et a est le coefficient de température de conductivité. Par exemple, pour les sels a » 0,02. Cela signifie qu'une augmentation de température d'un degré entraîne une augmentation de la conductivité d'environ 2 %. Cela est dû au fait qu'avec l'augmentation de la température, le degré d'hydratation et la viscosité des solutions diminuent.

Il convient de noter que contrairement aux électrolytes, la conductivité électrique des métaux diminue avec l’augmentation de la température.

Conductivité électrique molaire

La conductivité molaire l est liée à la conductivité spécifique par la formule :

l = À×1000/s (3.8.)

Dans cette expression, c est la concentration molaire de la solution, mol×dm -3. La conductivité molaire est exprimée en cm×cm 2 ×mol -1. Donc,

la conductivité molaire est la conductivité d'une solution contenant 1 mole d'une substance à une distance entre les électrodes de 1 cm.

La conductivité électrique molaire des électrolytes forts et faibles diminue avec l'augmentation de la concentration. La nature de la dépendance de l sur c pour les électrolytes forts et faibles est différente, car l'influence de la concentration est due à diverses raisons.

Électrolytes forts. À faibles concentrations, la dépendance de la conductivité molaire à la concentration est exprimée par l'équation empirique de Kohlrausch :

l = l 0 –bÖс (3.9.)

où b est une constante déterminée expérimentalement,

et l 0 – conductivité électrique molaire à dilution infinie ou conductivité molaire limite.

Ainsi,

liml C ® 0 = l 0 (3.10.)

Il est impossible de préparer une solution dont la concentration est nulle. La valeur de l 0 pour les électrolytes forts peut être déterminée graphiquement. De l'équation (3.9.), il s'ensuit que le graphique de l = f(Öc) pour les électrolytes forts est une ligne droite (Fig. 3.3., ligne 1).

Si vous préparez une série de solutions de différentes concentrations, mesurez leur conductivité L, calculez et tracez l = f(Öc), puis en extrapolant la droite résultante jusqu'à l'ordonnée (c = 0), vous pouvez déterminer l 0. Si l'on tient compte du fait que les électrolytes forts, quelle que soit la concentration de la solution, sont complètement dissociés, nous arrivons à la conclusion que le nombre d'ions formés à partir de 1 mole d'une substance est toujours le même. Cela signifie que la vitesse de déplacement des ions dépend de la concentration de la solution ; inhibition ionique. Ce phénomène est associé à la formation autour de chaque ion en solution atmosphère ionique, constitué principalement d’ions de signe opposé. À mesure que la concentration augmente, la viscosité de la solution augmente également. Il existe d'autres raisons au ralentissement du mouvement des ions dans un champ électrique, sur lesquelles nous ne nous attarderons pas.

Si vous déterminez expérimentalement la valeur de l pour une solution d'une concentration donnée et trouvez graphiquement l 0, vous pouvez calculer la valeur du coefficient de conductivité électrique F :

F= l / l 0 (3.11.)

Coefficient F caractérise le degré d'inhibition des ions et tend vers l'unité lorsque la solution est diluée.

Électrolytes faibles. La conductivité molaire des électrolytes faibles est nettement inférieure à celle des solutions d'électrolytes forts (Fig. 3.3, ligne 2). Cela est dû au fait que même à de faibles concentrations, le degré de dissociation des électrolytes faibles est faible. Une augmentation de la conductivité molaire des électrolytes faibles lorsque les solutions sont diluées est associée à une augmentation du degré de dissociation conformément à la loi de dilution d'Ostwald. S. Arrhenius a suggéré que la conductivité molaire d'un électrolyte faible est liée à son degré de dissociation par l'expression :

un= l / l 0 (3.12.)

Ainsi, le degré de dissociation d'un électrolyte faible peut être calculé si sa conductivité molaire maximale l 0 est connue. Cependant, il est impossible de déterminer l 0 graphiquement en extrapolant le graphique l = f(Öc), car la courbe (Fig. 3.3., ligne 2) avec une concentration décroissante se rapproche asymptotiquement de l'ordonnée.

La valeur l 0 peut être déterminée à l'aide de la loi indépendance du mouvement ionique de Kohlrausch:

La conductivité électrique molaire de l'électrolyte avec dilution infinie de la solution est égale à la somme des mobilités maximales des cations et des anions.

l 0 =l 0,+ + l 0,– (3.13.)

Les mobilités du cation et de l'anion sont proportionnelles aux vitesses absolues de mouvement des ions (voir tableau 3.1.).

l 0,+ = F×U + ; l 0,– = F×U – (3.14.)

Dans ces formules, F est une unité d'électricité appelée Faraday, égale à 96494 Coulombs (C). Dans le tableau 3.2. La mobilité maximale de certains ions est donnée.

Il convient de noter que la loi d’indépendance du mouvement des ions est valable aussi bien pour les électrolytes faibles que forts.

Tableau 3.2.

Limite de mobilité des ions (cm 2 ×Cm×mol -1) à 25 0 C

Cation	je 0,+	Anion	l 0,–
H + K + Na + Li + Ag + Ba 2+ Ca 2+ Mg 2+	349,8 73,5 50,1 38,7 61,9 127,2 119,0 106,1	OH - I - Br - Cl - NO 3 - CH 3 COO - SO 4 2-	76,8 78,4 76,3 71,4 40,9 160,0

Applications des mesures de conductivité

Une méthode de recherche basée sur la mesure de la conductivité électrique s'appelle conductométrie. Cette méthode est largement utilisée dans la pratique de laboratoire. Un appareil de mesure de la conductivité électrique est appelé compteur de conductivité. En particulier, la méthode conductométrique permet de déterminer les constantes de dissociation des électrolytes faibles.

Exemple. Détermination de la constante de dissociation de l'acide acétique.

a) Pour trouver la constante de la cellule conductométrique, nous avons préparé des solutions de chlorure de potassium avec des concentrations molaires de 0,1 et 0,02 mol×dm -3 et mesuré leur conductivité. Elle s'est avérée être égale à L 1 = 0,307 S et L 2 =. 0,0645 S, respectivement. Dans le tableau, nous trouvons les valeurs de conductivité spécifique des solutions de chlorure de potassium aux concentrations indiquées :

À 1 = 1,29×10 -1 Sm×cm -1 ; À 2 = 2,58×10 -2 Sm×cm -1

D'après l'équation 3.6. On calcule la constante de cellule :

K 1 = À 1 /L 1 = 0,42 cm -1

K 2 = À 2 /L 2 = 0,40 cm -1

Valeur moyenne K = 0,41 cm -1

b) Nous avons préparé deux solutions d'acide acétique avec des concentrations c 1 = 0,02 mol × dm -3 et c 2 = 1 × 10 -3 mol × dm -3. A l'aide d'un conductimètre, leur conductivité électrique a été mesurée :

L1 = 5,8×10 -4 cm ; L 2 = 1,3 × 10 -4 Voir.

c) Calculer la conductivité spécifique :

À 1 = L 1 ×K = 5,8×10 -4 ×0,41 = 2,378×10 -4 Cm×cm -1

À 2 = L 2 ×K = 1,2×10 -4 ×0,41 = 0,492×10 -4 Sm×cm -1

d) En utilisant la formule (3.8.), nous trouvons la conductivité électrique molaire l 1 = 11,89 Sm × cm 2 × mol -1 ; l 2 = 49,2 cm × cm 2 × mol -1

e) On trouve à l'aide du tableau 3.2. la valeur de la conductivité molaire maximale de l'acide acétique : l 0 = 349,8 +40,9 = 390,7 S cm × cm 2 × mol -1.

e) Enfin, pour chaque solution on calcule le degré de dissociation (équation 3.12.) et la constante de dissociation

une 1 = 3,04×10 -2 ; une 2 = 1,26×10 -1

K 1 = 1,91×10 -5 ; K2 = 1,82×10 -5

Valeur moyenne K = 1,86×10 -5

La mise en œuvre technique de cette tâche permettra à l'humanité de ne pas payer un tribut exorbitant pour l'utilisation du type d'énergie le plus pratique - sous forme de pertes de chaleur lors de la production, de la transformation et du transport de l'électricité. L'effet indirect du développement de la supraconductivité serait une amélioration significative de l'écologie de l'environnement grâce à une diminution du niveau d'émissions de produits de combustion nocifs du charbon, du fioul et du gaz des centrales thermiques, et la fin des émissions inutiles. réchauffement de l'atmosphère terrestre et réduction des émissions de gaz à effet de serre.

La conductivité, tout comme la résistance, joue un rôle important en génie électrique et dans d’autres sciences techniques. Sa signification physique est intuitivement claire par rapport à son homologue hydraulique - tout le monde comprend qu'un tuyau large a une résistance moindre au débit d'eau et, par conséquent, il laisse mieux passer l'eau qu'un tuyau fin. Il en va de même pour la conductivité électrique : une matière ayant une résistance plus faible conduit mieux l’électricité.

L'unité de conductivité électrique porte le nom du célèbre ingénieur, inventeur, scientifique et industriel allemand - fondateur de Siemens - Ernst Werner von Siemens. À propos, c'est lui qui a proposé l'unité de résistance au mercure, quelque peu différente de l'ohm moderne. Siemens a défini l'unité de résistance comme la résistance d'une colonne de mercure de 100 cm de haut et de section 1 mm² à une température de 0°C.

Physique des phénomènes

dur, liquide ou gazeux plasma

cristalline Et amorphe.

Ces zones sont appelées valence bande conductrice zone interdite

Conductivité électrique des métaux

Bien avant la découverte des électrons, il a été démontré expérimentalement que le passage du courant dans les métaux, contrairement au courant dans les électrolytes liquides, n'est pas associé au transfert de matière. Une expérience d'une simplicité élégante, réalisée par le physicien allemand Carl Viktor Eduard Riecke en 1901, a prouvé de manière convaincante que les porteurs de courant dans les métaux sont une certaine substance, inconnue à cette époque. Pendant un an, il fit passer un courant électrique à travers une sorte de « sandwich » de métaux dissemblables (cuivre-aluminium-cuivre) et, à la fin de l'expérience, découvrit que les métaux ne se mélangeaient pas. Plus tard, grâce aux travaux du scientifique danois Niels Bohr, une théorie de la structure planétaire de l'atome a été créée et brillamment confirmée, constituée d'un noyau positif, qui comprend des particules que nous appelons maintenant nucléons - ce sont des protons et des neutrons - et des particules externes. coquilles d’électrons chargés négativement. Les physiciens utilisent toujours cette théorie, même s'ils y ont apporté quelques ajustements.

La conductivité électrique des semi-conducteurs eux-mêmes est de nature électronique et dépend fortement des impuretés. L'utilisation technique de cette propriété a trouvé une application dans la création d'amplificateurs et d'éléments clés de l'électronique moderne. Les semi-conducteurs caractéristiques sont le germanium tétravalent (Ge) et le silicium (Si), qui forment une structure cristalline d'atomes reliés les uns aux autres par des liaisons covalentes provenant de paires d'électrons de l'enveloppe externe des atomes. L'introduction d'impuretés modifie considérablement la conductivité de ces semi-conducteurs. Par exemple, lors de l'ajout d'atomes de gallium pentavalent (Ga) ou d'arsenic (As), un excès d'électrons de valence se forme dans le semi-conducteur, qui deviennent la propriété commune de l'échantillon de semi-conducteur, dans ce cas on parle de conductivité de type n. Si de l'indium trivalent (In) est ajouté à un semi-conducteur, alors un déficit en électrons de valence se forme, dans ce cas on parle de conductivité de type p « trou ».

La conductivité électrique des semi-conducteurs dépend fortement de l'application de facteurs externes, tels qu'un champ électrique ou magnétique, un éclairage avec une lumière d'intensité et de spectre variables, ou une exposition à divers types de rayonnements, notamment les rayons gamma. Le mot « quanta » n’est pas utilisé dans la terminologie anglaise. Cette propriété des semi-conducteurs dopés a trouvé de nombreuses applications dans les technologies modernes. La propriété unique de conductivité unidirectionnelle est possédée par une combinaison de semi-conducteurs avec différents types de conductivité, ce qu'on appelle la jonction p-n, qui est devenue la base de l'électronique moderne.

cations Et anions

Conductivité électrique des gaz

ionisation photochimique ionisation par impact

Conductivité électrique en biologie

Supraconductivité

Si le terme « conductivité électrique » est surtout familier aux spécialistes de la physique et de l’électrotechnique, presque tout le monde a entendu parler des supraconducteurs, grâce aux efforts des journalistes. Parallèlement au développement de l’énergie thermonucléaire, la création de matériaux supraconducteurs fonctionnant à des températures terrestres normales constitue le rêve et la pierre angulaire de la physique du 21e siècle.

En outre, l’introduction des supraconducteurs dans divers secteurs de l’industrie et des transports conduirait à une nouvelle révolution technique dont les fruits pourraient profiter à l’ensemble de la population mondiale. Toutes les machines électriques – générateurs, transformateurs, moteurs – diminueraient en taille, mais leur puissance augmenterait ; l'utilisation d'électroaimants basés sur la supraconductivité rapprocherait considérablement la solution au problème de la fusion thermonucléaire et les trains à grande vitesse deviendraient une réalité.

Sur cette base, l'intérêt des scientifiques et des ingénieurs du monde entier pour le problème de la supraconductivité est compréhensible, et les premiers matériaux capables de réaliser une supraconductivité pratique apparaissent déjà. La principale direction des efforts de recherche a récemment été le graphène et les matériaux similaires, qui sont essentiellement des structures bidimensionnelles dotées d'une conductivité unique.

Définition et unités de conductivité électrique

La conductivité électrique est la capacité d'un matériau à laisser passer le courant électrique à travers lui-même. La conductivité électrique, ou autrement conductivité électrique, est l'inverse de la résistance. La conductivité est désignée par la lettre G.

Dans le système SI, la conductivité électrique est mesurée en Siemens (1 Sm = 1 Ohm⁻¹). Dans le système gaussien et dans le SGSE, le staticsiemens est utilisé et le SGSM utilise l'absiemens.

Physique des phénomènes

La conductivité électrique de tout matériau lui-même est déterminée avant tout par son état physique : la substance peut être dur, liquide ou gazeux. Il existe également un quatrième état de la matière appelé plasma, qui constitue les couches supérieures de notre Soleil.

Lorsqu'on considère les phénomènes de conductivité électrique dans les solides, on ne peut se passer des concepts modernes de physique du solide et de théorie des bandes de conductivité. D'un point de vue structurel, les solides sont divisés en cristalline Et amorphe.

Les substances cristallines ont une structure géométrique ordonnée ; les atomes ou les molécules d'une substance forment une sorte de réseau volumétrique ou plat ; Ces matériaux comprennent les métaux, leurs alliages et les semi-conducteurs. Les substances amorphes n'ont pas de réseau cristallin.

À partir des électrons de valence des atomes à l’intérieur du cristal, se forment des associations d’électrons qui n’appartiennent pas à un atome particulier. Tout comme les états des électrons dans un atome isolé sont limités à des niveaux d’énergie discrets, les états des électrons dans un solide sont limités zones d'énergie discrètes. Ces zones sont appelées valence ou des zones remplies. En plus de la bande de valence, le cristal possède bande conductrice, qui est généralement situé au-dessus de celui de valence. Ces deux zones en diélectriques et semi-conducteurs sont séparées zone interdite, c’est-à-dire une bande d’énergie dans laquelle aucun électron ne peut être localisé.

Du point de vue de la théorie des bandes, les diélectriques, les semi-conducteurs et les métaux ne diffèrent que par leur bande interdite. Les diélectriques ont la bande interdite la plus large, atteignant parfois 15 eV. À température nulle absolue, il n'y a pas d'électrons dans la bande de conduction, mais à température ambiante, un certain nombre d'électrons seront déjà éliminés de la bande de valence en raison de l'énergie thermique. Dans les conducteurs (métaux), la bande de conduction et la bande de valence se chevauchent, donc à température nulle absolue, dans cette bande superposée, il y a un assez grand nombre d'électrons de conduction qui peuvent se déplacer et former un courant. Les semi-conducteurs ont de petites bandes interdites et leur conductivité électrique dépend fortement de la température et d'autres facteurs, ainsi que de la présence d'impuretés.

Conductivité électrique des métaux

La conductivité des métaux est due à la présence d'un grand nombre d'électrons de valence provenant des coques externes des atomes métalliques, qui n'appartiennent pas à un atome spécifique, mais deviennent la propriété de l'ensemble des atomes de l'échantillon. Il est tout à fait naturel que les atomes métalliques qui ont un plus grand nombre d'électrons sur leur enveloppe externe ont également une conductivité électrique plus élevée - cela inclut le cuivre (Cu), l'argent (Ag) et l'or (Au), qui ont toujours distingué la valeur de ces métaux. pour l'électrotechnique et l'électronique.

Conductivité électrique des semi-conducteurs

Conductivité électrique des électrolytes

La conductivité électrique des électrolytes est la capacité des solutions de substances à conduire le courant électrique lorsqu'une tension électrique est appliquée. Les porteurs de courant qu'ils contiennent sont des ions chargés positivement et négativement - cations Et anions, qui existent en solution en raison de la dissociation électrolytique. La conductivité électrique ionique des électrolytes, contrairement à la conductivité électronique caractéristique des métaux, s'accompagne du transfert de matière vers les électrodes avec formation de nouveaux composés chimiques à proximité d'elles.

La conductivité totale (totale) comprend la conductivité des cations et des anions, qui se déplacent dans des directions opposées sous l'influence d'un champ électrique externe. Elle est liée à la mobilité des ions, caractéristique qui dépend de la taille et de la charge des cations et anions présents. Il a été prouvé que la mobilité unique des ions de l'eau - l'atome d'hydrogène du cation H+ et l'anion du groupe hydroxyle OH- - est déterminée par la structure de l'eau, qui forme des associations de molécules avec une certaine charge. Le mécanisme de transfert de charge dans de telles associations est appelé croquet et rappelle essentiellement le mécanisme de transfert d'énergie au billard - lorsque vous frappez une série de boules consécutives avec la bille blanche, la dernière boule lointaine s'envole de cette association.

La conductivité électrique de l'eau, ce solvant le plus universel sur Terre, dépend fortement des mélanges de substances dissoutes, c'est pourquoi la conductivité électrique de l'eau de mer ou de l'océan diffère fortement de la conductivité électrique de l'eau douce des rivières et des lacs (nous utilisons également les propriétés curatives des eaux minérales, et c'est de là que viennent les légendes sur les vivants et les morts) eau).

Quantitativement, la conductivité électrique des électrolytes est caractérisée par une conductivité électrique équivalente - la conductivité de tous les ions formés dans 1 gramme équivalent d'électrolyte.

Conductivité électrique des gaz

La conductivité électrique des gaz est due à la présence d’électrons et d’ions libres et est donc appelée conductivité électronique-ionique. Les gaz, en raison de leur raréfaction, sont caractérisés par un long trajet avant la collision des molécules et des ions ; de ce fait, leur conductivité électrique dans des conditions normales est faible. La même chose peut être dite pour les mélanges de gaz. Un mélange naturel de gaz est l’air atmosphérique, qui en électrotechnique est considéré comme un bon isolant. La conductivité électrique des gaz dépend grandement de divers facteurs physiques, tels que la pression, la température et la composition du mélange. De plus, différents types de rayonnements ionisants ont un effet. Ainsi, par exemple, sous l'éclairage d'ultraviolets ou de rayons X, ou sous l'influence de particules émises par des substances radioactives, ou enfin sous l'influence d'une température élevée, les gaz acquièrent la propriété de conduire le courant électrique.

Ce processus est appelé ionisation. Les mécanismes de son action sont différents : dans les couches supérieures de l’atmosphère terrestre, il prédomine ionisation photochimique due à la capture d'un photon de rayonnement ultraviolet ou d'un quantum de rayons X par une molécule neutre, avec émission d'un électron négatif et transformation de la molécule en un ion chargé positivement. À son tour, un électron libre rejoignant une molécule neutre la transforme en un ion chargé négativement. Dans les couches inférieures de l'atmosphère, il prédomine ionisation par impact en raison de la collision de molécules de gaz avec des particules corpusculaires du rayonnement solaire et cosmique.

Il convient de noter que le nombre d'ions positifs et négatifs dans l'air atmosphérique dans des conditions normales est très faible par rapport au nombre total de ses molécules. 1 centimètre cube de gaz dans des conditions normales de pression et de température contient environ 30 * 10¹⁸ molécules. Dans le même temps, dans le même volume, le nombre d'ions des deux types est en moyenne de 800 à 1 000. Ce nombre d'ions varie en fonction de la période de l'année et de l'heure de la journée, dépend des conditions géologiques, topographiques et météorologiques ainsi que du temps : par exemple, en été, le nombre d'ions est beaucoup plus élevé qu'en hiver, par temps clair et par temps sec plus que par temps pluvieux et nuageux avec du brouillard, l'ionisation de l'atmosphère de surface est réduite à presque zéro.

Conductivité électrique en biologie

La connaissance de la conductivité électrique des objets biologiques offre aux biologistes et aux médecins une méthode puissante de recherche, de diagnostic et même de traitement. Compte tenu du fait que la vie terrestre est née de l'eau de mer, qui est essentiellement un électrolyte, tous les objets biologiques, à un degré ou à un autre, du point de vue électrochimique, sont un électrolyte, quelles que soient les caractéristiques structurelles d'un objet donné.

Mais lorsque l'on considère le flux de courant à travers des objets biologiques, il est nécessaire de prendre en compte leur structure cellulaire, dont un élément essentiel est la membrane cellulaire - l'enveloppe externe qui protège la cellule des effets de facteurs environnementaux défavorables dus à la sélectivité. propriétés. En termes de propriétés physiques, la membrane cellulaire est une connexion parallèle d'un condensateur et d'une résistance, qui détermine la dépendance de la conductivité électrique d'un matériau biologique sur la fréquence de la tension appliquée et la forme de ses oscillations.

En général, le tissu biologique est un conglomérat de cellules de l'organe lui-même, de liquide intercellulaire (lymphe), de vaisseaux sanguins et de cellules nerveuses. Puisque ces derniers répondent à l’influence du courant électrique par une excitation, le flux de courant dans les tissus biologiques, et donc leur conductivité électrique, est non linéaire.

Aux basses fréquences du courant appliqué (jusqu'à 1 kHz), la conductivité électrique des objets biologiques est déterminée par les propriétés de la conductivité électrique des canaux lymphatiques et sanguins, à hautes fréquences (plus de 100 kHz), la conductivité électrique de ; Les objets biologiques sont proportionnels à la quantité totale d'électrolytes contenus dans les tissus situés entre les électrodes.

La connaissance des valeurs caractéristiques de la conductivité électrique spécifique des tissus biologiques et des caractéristiques des membranes cellulaires permet de créer des dispositifs de surveillance objective des processus se produisant dans les cellules de l'organisme. Ces informations aident également à diagnostiquer les maladies et à créer des dispositifs utilisés pour le traitement (électrophorèse).

Malheureusement, la vitesse des réactions électrochimiques est faible, nous parvenons donc à nous brûler avant de retirer notre main de quelque chose de très chaud - les nerfs n'ont pas le temps de transmettre un signal de danger au cerveau, et celui-ci réagit à son tour. immédiatement - la vitesse de réaction aux stimuli externes est de plusieurs centaines de millisecondes. C'est pourquoi les services de contrôle de la circulation nous interdisent de conduire sous l'influence de l'alcool ou de drogues, en raison de la réduction supplémentaire de la vitesse de réaction.

Supraconductivité

Le phénomène de supraconductivité (résistance nulle au passage du courant) du mercure refroidi à –270 degrés Celsius, découvert par Kamerlingh-Oness en 1911, a révolutionné la vision des physiciens, attirant leur attention sur les processus quantiques qui déterminent cet état de la matière.

Depuis lors, les scientifiques se sont joints à la course à la température, plaçant la barre de plus en plus haut en matière de supraconductivité des substances. Les composés, alliages et céramiques qu'ils ont développés (HgBa 2 Ca 2 Cu 3 O 8+δ fluoré ou Hg−1223) ont élevé la température de supraconductivité à 138 Kelvin, ce qui n'est pas beaucoup plus bas que la température minimale sur Terre. La dernière baguette magique pour réaliser ce rêve séculaire réside dans de nouveaux matériaux aux propriétés fantastiques - le graphène et les matériaux similaires.

En première approximation (assez grossière), la supraconductivité des métaux peut s'expliquer par l'absence de vibrations des atomes du réseau cristallin, ce qui réduit la probabilité de collisions électroniques avec eux.

Arrêtons-nous sur plusieurs aspects de l'application pratique de la supraconductivité. La première ligne électrique supraconductrice commerciale a été lancée par American Superconductor à Long Island, New York, fin juin 2008. La société sud-coréenne LS Cable va créer à Séoul et dans d'autres villes des lignes électriques supraconductrices d'une longueur totale de 3 000 km. Et le câble concentrique triphasé pour 10 000 volts du projet AmpaCity, développé et mis en œuvre en Allemagne, est conçu pour transmettre 40 mégawatts de puissance. Comparé à un câble en cuivre de même taille, un câble supraconducteur peut transmettre cinq fois plus d’énergie, malgré une épaisse gaine de refroidissement. Le projet a été lancé à Essen, en Allemagne, en 2014.

A noter également le projet de transport d’électricité (et d’hydrogène) depuis le désert du Sahara. Selon les experts, les technologies existantes sont capables de répondre aux besoins de toute l’humanité avec seulement 300 kilomètres carrés de panneaux solaires situés dans le désert du Sahara. Et pour les besoins de toute l’Europe, seulement 50 kilomètres carrés sont nécessaires. Mais la question se résume au transport de cette énergie. En raison des pertes, 100 % de toute l’énergie produite sera dépensée pour le transport. Une méthode très originale a été proposée pour le transmettre sans pertes à travers des tubes en diborure de magnésium (MgB₂), refroidis de l'intérieur par un flux d'hydrogène liquide. En conséquence, nous bénéficions d'un transport d'électricité sans perte via un supraconducteur et d'un carburant respectueux de l'environnement - l'hydrogène, produit sur place.

De plus, l'utilisation de l'énergie solaire pour produire de l'électricité et de l'hydrogène de cette manière ne perturbera pas l'équilibre écologique et thermique de la Terre, qui n'est pas inhérent aux méthodes modernes de production d'électricité à partir de combustibles fossiles, qu'il s'agisse de pétrole, de gaz ou charbon. Après tout, leur utilisation signifie introduire dans l’atmosphère une énergie solaire supplémentaire préalablement accumulée par la nature elle-même dans ces sources.

Un autre problème lié à l'application pratique de la supraconductivité est l'utilisation de la sustentation magnétique pour le transport terrestre (trains à sustentation magnétique). Des études ont montré que ce type de transport sera trois fois plus efficace que le transport routier et cinq fois plus efficace que l'avion.

102,50 Ko

Conductivité électrique.

La conductivité électrique (conductivité électrique, conductivité) est la capacité d'un corps à conduire le courant électrique, ainsi qu'une grandeur physique qui caractérise cette capacité et est l'inverse de la résistance électrique. Dans le système SI, l'unité de mesure de la conductivité électrique est See. La capacité de substances individuelles à conduire le courant électrique peut être jugée par leur résistivité électrique ρ. Pour juger de la conductivité électrique des matériaux, la notion de conductivité électrique spécifique est également utilisée.

La conductivité électrique est mesurée en Siemens par mètre (S/m).

Selon la loi d'Ohm, dans une substance isotrope linéaire, la conductivité spécifique est le coefficient de proportionnalité entre la densité du courant résultant et l'amplitude du champ électrique dans le milieu :

où γ - conductivité spécifique,

J. - vecteur densité de courant,

E - vecteur d'intensité du champ électrique.

Conductivité électrique g conducteur peut être exprimé par les formules suivantes :

G = 1/R = S/(ρl) = γS/l = I/U

où ρ est la résistivité,
S est la section transversale du conducteur,
l - longueur du conducteur,
γ = 1/ρ - conductivité spécifique,
U est la tension dans la zone,
Je suis le courant dans la section.

La conductivité électrique se mesure en Siemens : [G] = 1/1 Ohm = 1 cm.

Il existe deux types de porteurs de charge dans les substances : les électrons ou les ions. Le mouvement de ces charges crée un courant électrique.

La conductivité électrique de diverses substances dépend de la concentration de particules libres chargées électriquement. Plus la concentration de ces particules est élevée, plus la conductivité électrique d'une substance donnée est élevée. Toutes les substances, en fonction de leur conductivité électrique, sont divisées en trois groupes : conducteurs, diélectriques et semi-conducteurs.

Selon le type de transporteurs actuels, il existe :

- conductivité électronique dans les métaux et semi-conducteurs (mouvement des électrons libres dans la matière comme principaux porteurs de charge)

- conductivité ionique dans les électrolytes (mouvement ordonné des ions dans une substance)

- conductivité mixte électron-ion dans le plasma

Eau. Glace. Vapeur.

L'eau (oxyde d'hydrogène) est une substance chimique se présentant sous la forme d'un liquide transparent, incolore (en petits volumes), sans odeur et sans goût (dans des conditions normales). Formule chimique : H2O. À l’état solide, l’eau est appelée glace ou neige, et à l’état gazeux, elle est appelée vapeur d’eau. L'eau est un bon solvant hautement polaire. Dans des conditions naturelles, il contient toujours des substances dissoutes (sels, gaz).

Dans une molécule d’eau considérée séparément, les atomes d’hydrogène et d’oxygène, ou plutôt leurs noyaux, sont disposés de manière à former un triangle isocèle. À son sommet se trouve un noyau d'oxygène relativement gros, dans les coins adjacents à la base se trouve un noyau d'hydrogène.

Une molécule d'eau est un petit dipôle contenant des charges positives et négatives à ses pôles. Puisque la masse et la charge du noyau d’oxygène sont supérieures à celles des noyaux d’hydrogène, le nuage électronique est attiré vers le noyau d’oxygène. Dans ce cas, les noyaux d’hydrogène sont « exposés ». Ainsi, le nuage électronique a une densité non uniforme. Il y a un manque de densité électronique près des noyaux d'hydrogène, et du côté opposé de la molécule, près du noyau d'oxygène, il y a un excès de densité électronique. C'est cette structure qui détermine la polarité de la molécule d'eau. Si vous reliez les épicentres des charges positives et négatives avec des lignes droites, vous obtenez une figure géométrique tridimensionnelle - un tétraèdre régulier.

Du fait de la présence de liaisons hydrogène, chaque molécule d'eau forme une liaison hydrogène avec 4 molécules voisines, formant un cadre maillé ajouré dans la molécule de glace. Cependant, à l’état liquide, l’eau est un liquide désordonné ; Ces liaisons hydrogène sont spontanées, de courte durée, se brisent et se reforment rapidement. Tout cela conduit à une hétérogénéité dans la structure de l’eau.

Le fait que l’eau soit de composition hétérogène est établi depuis longtemps. La glace flotte à la surface de l’eau, c’est-à-dire que la densité de la glace cristalline est inférieure à la densité du liquide.

Pour presque toutes les autres substances, le cristal est plus dense que la phase liquide. De plus, même après la fonte, à mesure que la température augmente, la densité de l’eau continue d’augmenter et atteint un maximum à 4°C. Moins connue est l’anomalie de compressibilité de l’eau : lorsqu’elle est chauffée depuis le point de fusion jusqu’à 40°C, elle diminue puis augmente. La capacité calorifique de l’eau dépend également de manière non monotone de la température.

De plus, à des températures inférieures à 30°C, avec une augmentation de la pression atmosphérique à 0,2 GPa, la viscosité de l'eau diminue, ainsi que le coefficient d'autodiffusion, paramètre qui détermine la vitesse de déplacement des molécules d'eau les unes par rapport aux autres, augmente.

Chaque molécule d'eau dans la structure cristalline de la glace participe à 4 liaisons hydrogène dirigées vers les sommets du tétraèdre. Au centre de ce tétraèdre se trouve un atome d'oxygène, à deux sommets se trouve un atome d'hydrogène dont les électrons participent à la formation d'une liaison covalente avec l'oxygène. Les deux sommets restants sont occupés par des paires d'électrons de valence de l'oxygène, qui ne participent pas à la formation de liaisons intramoléculaires. Lorsqu'un proton d'une molécule interagit avec une paire d'électrons d'oxygène isolés d'une autre molécule, une liaison hydrogène se forme, moins forte qu'une liaison intramoléculaire, mais suffisamment puissante pour maintenir ensemble les molécules d'eau voisines. Chaque molécule peut former simultanément quatre liaisons hydrogène avec d'autres molécules selon des angles strictement définis égaux à 109°28", dirigés vers les sommets du tétraèdre, qui ne permettent pas la création d'une structure dense lors de la congélation.

La vapeur d'eau est l'état gazeux de l'eau dans des conditions où la phase gazeuse peut être en équilibre avec les phases liquide ou solide. Il est incolore, insipide et inodore ; il est formé par les molécules d’eau lors de son évaporation. La vapeur se caractérise par des liaisons très faibles entre les molécules d'eau, ainsi que par leur grande mobilité. Ses particules se déplacent presque librement et de manière chaotique dans les intervalles entre les collisions, au cours desquelles se produit un changement brusque dans la nature de leur mouvement. Les propriétés de la vapeur saturée (densité, capacité thermique spécifique, etc.) sont déterminées uniquement par la pression.

Conductivité électrique de l'eau

L'eau pure est un mauvais conducteur d'électricité. Mais néanmoins, bien que très peu, il peut conduire le courant électrique grâce à la dissociation partielle des molécules d'eau en ions H+ et OH–. Les mouvements des ions H+, appelés « sauts de protons », sont d'une importance primordiale pour la conductivité électrique de l'eau et de la glace. Une conductivité faible, presque absente, est due au fait que l'eau est constituée d'atomes et de molécules électriquement neutres dont le mouvement ne peut pas être effectué par le courant électrique. Cependant, les solutions de sels, d'acides et d'alcalis dans l'eau et certains autres liquides conduisent bien le courant, et plus il y a de soluté, plus il se décompose en ions et plus la conductivité de la solution est élevée.

La concentration ionique est le premier facteur affectant la conductivité. Si aucune dissociation des molécules ne se produit lors de la dissolution, alors la solution n'est pas conductrice d'électricité.

Autres facteurs : la charge de l'ion (un ion avec une charge de +3 transporte trois fois plus de courant qu'un ion avec une charge de +1) ; la mobilité des ions (les ions lourds se déplacent plus lentement que les ions légers) et la température. Une solution qui conduit le courant électrique s’appelle un électrolyte.

La minéralisation de l'eau réduit fortement sa résistivité électrique, et augmente donc sa conductivité. Ainsi, pour l'eau distillée, elle est d'environ 10ˉ 5 S/m, et pour l'eau de mer, elle est d'environ 3,33 S/m (à titre de comparaison : papier - 10ˉ 15, cuivre - 0,5·10 8 S/m). La conductivité électrique de l'eau peut être un indicateur de sa contamination.

Conductivité électrique de la glace

La conductivité électrique de la glace est très faible et plusieurs fois inférieure à celle de l'eau, surtout si l'eau est au moins légèrement minéralisée. Par exemple, la conductivité électrique spécifique de la glace d'eau douce à une température de 0°C est égale à 0,27·10ˉ 7 S/m, et à -20°С elle est égale à 0,52·10ˉ 7 S/m, tandis que l'eau distillée à partir de laquelle cette glace a été obtenue, avait une conductivité de l'ordre de 10ˉ 6 S/m.

La faible conductivité de la glace est due au fait que dans des conditions normales, elle ne contient pratiquement pas de porteurs de charge libres ni d'atomes dépourvus d'électrons (appelés « trous »).

La neige sèche, tout d'abord, se caractérise par une faible conductivité électrique, ce qui permet de placer même des fils non isolés sur sa surface. Sa conductivité à des températures de -2 à -16 °C est d'environ 0,35*10ˉ 5 - 0,38·10ˉ 7 S/m et est proche de la conductivité spécifique de la neige carbonique. La neige mouillée, au contraire, a une conductivité électrique élevée atteignant 0,1 S/m.

La conductivité de la glace peut être augmentée par la minéralisation (saturation en ions) de l'eau de source avec des acides, des sels et des bases. Ensuite, les ions attireront les électrons d’un atome voisin et ceux-ci deviendront à leur tour des ions. Ainsi, par rétraction successive, une charge positive va se déplacer.

Conductivité de la vapeur d'eau

La vapeur elle-même, étant un gaz dans lequel il n’y a pas de particules chargées, n’est pas conductrice d’électricité. Cependant, la conductivité peut être augmentée si des particules chargées - des molécules - y sont créées sous l'influence de diverses interactions externes. La plus grande influence est exercée par des agents externes tels que les rayons X, les rayons du radium et un fort échauffement du gaz. Provoquer l'ionisation, par exemple, des appareils appelés ioniseurs.

Le mécanisme d'ionisation dans les gaz est le suivant : les atomes et molécules neutres contiennent la même quantité d'électricité positive sous forme de noyaux centraux et d'électricité négative sous forme d'électrons entourant ces noyaux. Sous l'influence de diverses raisons, un électron peut être arraché et la molécule restante acquiert une charge positive. Et l'électron éjecté ne reste pas libre, il est capté par une ou plusieurs molécules neutres et leur confère une charge négative. Le résultat est une paire d’ions de charges opposées. Pour qu’un électron se détache d’un atome, il doit dépenser une certaine énergie : l’énergie d’ionisation. Cette énergie est différente selon les substances et dépend de la structure de l'atome.

Chaque ion moléculaire formé attire des molécules neutres et forme ainsi un complexe ionique complet. Les ions de signes opposés, lorsqu'ils entrent en collision, se neutralisent, ce qui donne à nouveau les molécules neutres d'origine - ce processus est appelé recombinaison. Lorsqu'un électron et un ion positif se recombinent, une certaine énergie est libérée, égale à l'énergie dépensée pour l'ionisation.

Après l'arrêt de l'effet de l'ioniseur, le nombre d'ions dans le gaz diminue de plus en plus avec le temps, pour finalement devenir pratiquement nul. Cela s'explique par le fait que les électrons et les ions participent au mouvement thermique et entrent donc en collision les uns avec les autres. À la suite de la collision d’un électron et d’un ion positif, ils se réunissent en un atome neutre. Et lorsque des ions positifs et négatifs entrent en collision, ces derniers peuvent à leur tour donner à l’ion positif son propre électron en excès et les deux ions deviendront des molécules neutres.

Il s'ensuit que la conductivité de la vapeur est un phénomène temporaire. Une fois l’ionisation du gaz arrêtée, il cessera d’être conducteur, alors qu’un liquide restera toujours conducteur du courant électrique.

Liste de la littérature utilisée :

Vukalovich M.P., Novikov I.I., Thermodynamique technique, 4e éd., M., 1968 ;
Zatsepina G.N. Propriétés physiques et structure de l'eau. M., 1987
UN. Matvéev. Électricité et magnétisme.
http://ru.wikipedia.org/wiki/
http://www.o8ode.ru/article/water/
http://provodu.kiev.ua/smelye-teorii/led

Description du travail

Qui connaît la formule de l’eau depuis l’école ? Bien sûr, c'est tout. Il est probable que de tout le cours de chimie, beaucoup de ceux qui ne l'étudient pas de manière spécialisée connaissent seulement ce que signifie la formule H 2 O. Mais maintenant, nous allons essayer de comprendre de manière aussi détaillée et approfondie que possible. quelles sont ses principales propriétés et pourquoi il y a de la vie sans elle sur la planète Terre.

L'eau comme substance

La molécule d’eau, comme nous le savons, est constituée d’un atome d’oxygène et de deux atomes d’hydrogène. Sa formule s'écrit comme suit : H 2 O. Cette substance peut avoir trois états : solide - sous forme de glace, gazeux - sous forme de vapeur et liquide - comme substance sans couleur, sans goût ni odeur. À propos, c'est la seule substance sur la planète qui peut exister simultanément dans les trois états dans des conditions naturelles. Par exemple : aux pôles de la Terre il y a de la glace, dans les océans il y a de l'eau et l'évaporation sous les rayons du soleil est de la vapeur. En ce sens, l’eau est anormale.

L'eau est également la substance la plus abondante sur notre planète. Il couvre la surface de la planète Terre à près de soixante-dix pour cent - ce sont des océans, de nombreuses rivières avec des lacs et des glaciers. La majeure partie de l’eau de la planète est salée. Il est impropre à la consommation et à l'agriculture. L’eau douce ne représente que deux pour cent et demi de la quantité totale d’eau de la planète.

L'eau est un solvant très puissant et de haute qualité. Grâce à cela, les réactions chimiques dans l'eau se produisent à une vitesse fulgurante. Cette même propriété affecte le métabolisme du corps humain. que le corps humain adulte est composé à soixante-dix pour cent d’eau. Chez un enfant, ce pourcentage est encore plus élevé. Avec la vieillesse, ce chiffre passe de soixante-dix à soixante pour cent. À propos, cette caractéristique de l’eau démontre clairement qu’elle constitue la base de la vie humaine. Plus il y a d’eau dans le corps, plus il est sain, actif et jeune. C’est pourquoi les scientifiques et les médecins de tous les pays insistent sans relâche sur la nécessité de boire beaucoup. Il s’agit d’eau sous sa forme pure et non de substituts sous forme de thé, de café ou d’autres boissons.

L’eau façonne le climat de la planète, et ce n’est pas une exagération. Les courants océaniques chauds réchauffent des continents entiers. Cela est dû au fait que l'eau absorbe beaucoup de chaleur solaire, puis la libère lorsqu'elle commence à se refroidir. C’est ainsi qu’il régule la température de la planète. De nombreux scientifiques affirment que la Terre se serait refroidie et se serait transformée en pierre il y a longtemps sans la présence d’autant d’eau sur la planète verte.

Propriétés de l'eau

L’eau possède de nombreuses propriétés très intéressantes.

Par exemple, l’eau est la substance la plus mobile après l’air. Du cours scolaire, beaucoup se souviennent probablement d'un concept tel que le cycle de l'eau dans la nature. Par exemple : un ruisseau s'évapore sous l'influence de la lumière directe du soleil et se transforme en vapeur d'eau. De plus, cette vapeur est transportée quelque part par le vent, s'accumule dans les nuages, ou même dans les montagnes et retombe sous forme de neige, de grêle ou de pluie. De plus, le ruisseau descend à nouveau des montagnes, s'évaporant partiellement. Et ainsi – en cercle – le cycle se répète des millions de fois.

L’eau a également une capacité calorifique très élevée. C’est pour cette raison que les masses d’eau, en particulier les océans, se refroidissent très lentement lors du passage d’une saison ou d’un moment de la journée chaud à une saison froide. A l’inverse, à mesure que la température de l’air augmente, l’eau se réchauffe très lentement. Pour cette raison, comme mentionné ci-dessus, l'eau stabilise la température de l'air sur toute notre planète.

Après le mercure, l’eau a la tension superficielle la plus élevée. Il est impossible de ne pas remarquer qu'une goutte renversée accidentellement sur une surface plane devient parfois un point impressionnant. Cela montre la viscosité de l'eau. Une autre propriété apparaît lorsque la température descend à quatre degrés. Une fois que l’eau refroidit à ce point, elle devient plus légère. Par conséquent, la glace flotte toujours à la surface de l’eau et durcit en une croûte recouvrant les rivières et les lacs. Grâce à cela, les poissons ne gèlent pas dans les réservoirs qui gèlent en hiver.

L'eau comme conducteur d'électricité

Tout d’abord, vous devez vous renseigner sur ce qu’est la conductivité électrique (y compris celle de l’eau). La conductivité électrique est la capacité d'une substance à conduire le courant électrique à travers elle-même. En conséquence, la conductivité électrique de l’eau est la capacité de l’eau à conduire le courant. Cette capacité dépend directement de la quantité de sels et autres impuretés présentes dans le liquide. Par exemple, la conductivité électrique de l'eau distillée est presque minimisée du fait que cette eau est purifiée de divers additifs si nécessaires à une bonne conductivité électrique. L'eau de mer est un excellent conducteur de courant, où la concentration en sels est très élevée. La conductivité électrique dépend également de la température de l'eau. Plus la température est élevée, plus la conductivité électrique de l’eau est élevée. Ce modèle a été révélé par de multiples expériences de physiciens.

Mesure de la conductivité de l'eau

Il existe un tel terme - conductométrie. C'est le nom d'une des méthodes d'analyse électrochimique basée sur la conductivité électrique des solutions. Cette méthode est utilisée pour déterminer la concentration de sels ou d'acides dans des solutions, ainsi que pour contrôler la composition de certaines solutions industrielles. L'eau a des propriétés amphotères. Autrement dit, selon les conditions, il est capable de présenter des propriétés à la fois acides et basiques, agissant à la fois comme acide et comme base.

L'appareil utilisé pour cette analyse porte un nom très similaire : conductimètre. À l'aide d'un conductomètre, la conductivité électrique des électrolytes dans la solution analysée est mesurée. Peut-être vaut-il la peine d'expliquer un terme supplémentaire : électrolyte. Il s'agit d'une substance qui, lorsqu'elle est dissoute ou fondue, se décompose en ions, grâce auxquels un courant électrique est ensuite conduit. Un ion est une particule chargée électriquement. En fait, un conductomètre, prenant comme base certaines unités de conductivité électrique de l'eau, détermine sa conductivité électrique spécifique. C'est-à-dire qu'il détermine la conductivité électrique d'un volume spécifique d'eau pris comme unité initiale.

Même avant le début des années soixante-dix du siècle dernier, l'unité de mesure « mo » était utilisée pour indiquer la conductivité de l'électricité ; elle était dérivée d'une autre quantité - l'Ohm, qui est l'unité de base de la résistance. La conductivité électrique est une quantité inversement proportionnelle à la résistance. Maintenant, il est mesuré chez Siemens. Cette quantité tire son nom du physicien allemand Werner von Siemens.

Siemens

Siemens (peut être désigné Cm ou S) est l'inverse de l'Ohm, qui est une unité de mesure de la conductivité électrique. Un cm équivaut à tout conducteur dont la résistance est de 1 ohm. Siemens s'exprime à travers la formule :

1 cm = 1 : Ohm = A : B = kg −1 m −2 s³A², où
A - ampère,
V - volts.

Conductivité thermique de l'eau

Parlons maintenant de la capacité d'une substance à transférer de l'énergie thermique. L'essence du phénomène est que l'énergie cinétique des atomes et des molécules, qui déterminent la température d'un corps ou d'une substance donnée, est transférée à un autre corps ou substance lors de leur interaction. En d'autres termes, la conductivité thermique est l'échange thermique entre des corps, des substances, ainsi qu'entre un corps et une substance.

La conductivité thermique de l'eau est également très élevée. Les gens utilisent quotidiennement cette propriété de l’eau sans s’en apercevoir. Par exemple, verser de l’eau froide dans un récipient et y refroidir des boissons ou des aliments. L'eau froide prend la chaleur de la bouteille ou du récipient, dégageant du froid en retour ; une réaction inverse est également possible.

Or le même phénomène peut facilement être imaginé à l’échelle planétaire. L'océan se réchauffe pendant l'été, puis, avec l'arrivée du froid, il se refroidit lentement et dégage sa chaleur dans l'air, réchauffant ainsi les continents. Après s'être refroidi pendant l'hiver, l'océan commence à se réchauffer très lentement par rapport à la terre ferme et cède sa fraîcheur aux continents languissant sous le soleil de l'été.

Densité de l'eau

Il a été décrit ci-dessus que les poissons vivent dans un étang en hiver en raison du fait que l'eau durcit en croûte sur toute leur surface. Nous savons que l’eau commence à se transformer en glace à une température de zéro degré. Du fait que la densité de l'eau est supérieure à sa densité, elle flotte et gèle à la surface.

propriétés de l'eau

De plus, dans différentes conditions, l’eau peut être à la fois un agent oxydant et un agent réducteur. Autrement dit, l’eau, cédant ses électrons, se charge positivement et s’oxyde. Ou bien il acquiert des électrons et devient chargé négativement, ce qui signifie qu'il est restauré. Dans le premier cas, l’eau s’oxyde et est dite morte. Il possède des propriétés bactéricides très puissantes, mais il n’est pas nécessaire de le boire. Dans le second cas, l’eau est vivante. Il tonifie, stimule la récupération de l’organisme et apporte de l’énergie aux cellules. La différence entre ces deux propriétés de l’eau s’exprime dans le terme « potentiel d’oxydo-réduction ».

Avec quoi l’eau peut-elle réagir ?

L'eau est capable de réagir avec presque toutes les substances existant sur Terre. La seule chose est que pour que ces réactions se produisent, vous devez fournir une température et un microclimat appropriés.

Par exemple, à température ambiante, l'eau réagit bien avec des métaux tels que le sodium, le potassium, le baryum - ils sont appelés actifs. Avec les halogènes, c'est le fluor, le chlore. Lorsqu'elle est chauffée, l'eau réagit bien avec le fer, le magnésium, le charbon et le méthane.

À l'aide de divers catalyseurs, l'eau réagit avec les amides et les esters d'acides carboxyliques. Un catalyseur est une substance qui semble pousser les composants vers une réaction mutuelle, l'accélérant.

Y a-t-il de l’eau ailleurs que sur Terre ?

Jusqu’à présent, aucune eau n’a été découverte sur aucune planète du système solaire, à l’exception de la Terre. Oui, ils suggèrent sa présence sur les satellites de planètes géantes telles que Jupiter, Saturne, Neptune et Uranus, mais jusqu'à présent, les scientifiques ne disposent pas de données précises. Il existe une autre hypothèse, pas encore entièrement vérifiée, concernant les eaux souterraines de la planète Mars et du satellite de la Terre, la Lune. Concernant Mars, un certain nombre de théories ont été avancées selon lesquelles il y aurait eu autrefois un océan sur cette planète, et son modèle possible a même été conçu par des scientifiques.

En dehors du système solaire, il existe de nombreuses planètes, grandes et petites, où, selon les scientifiques, il pourrait y avoir de l'eau. Mais jusqu'à présent, il n'y a pas la moindre possibilité d'en être sûr.

Comment la conductivité thermique et électrique de l'eau est utilisée à des fins pratiques

En raison du fait que l'eau a une capacité thermique élevée, elle est utilisée dans les conduites de chauffage comme liquide de refroidissement. Il assure le transfert de chaleur du producteur au consommateur. De nombreuses centrales nucléaires utilisent également l’eau comme excellent liquide de refroidissement.

En médecine, la glace est utilisée pour le refroidissement et la vapeur pour la désinfection. La glace est également utilisée dans le système de restauration publique.

Dans de nombreux réacteurs nucléaires, l’eau est utilisée comme modérateur pour garantir le succès d’une réaction nucléaire en chaîne.

L’eau sous pression est utilisée pour fendre, casser et même couper les roches. Celui-ci est activement utilisé dans la construction de tunnels, de locaux souterrains, d'entrepôts et de métros.

Conclusion

Il résulte de l'article que l'eau, dans ses propriétés et ses fonctions, est la substance la plus irremplaçable et la plus étonnante sur Terre. La vie d’une personne ou de tout autre être vivant sur Terre dépend-elle de l’eau ? Absolument oui. Cette substance contribue-t-elle à l’activité scientifique humaine ? Oui. L'eau a-t-elle une conductivité électrique, une conductivité thermique et d'autres propriétés utiles ? La réponse est également « oui ». Une autre chose est qu'il y a de moins en moins d'eau sur Terre, et surtout d'eau propre. Et notre tâche est de la préserver et de la protéger (et donc de nous tous) de l’extinction.