الکترولیت و هدایت الکتریکی — از صفر تا صد

هدایت الکتریکی بر مبنای جریان الکترون‌ها بنا شده است. از میان عنصرهای جدول تناوبی، فلزات که در میان آنها فلزات قلیایی و قلیایی خاکی نیز وجود دارند، به دلیل گذردهی خوب الکترون‌ها از میان خود، به عنوان هادی خوب الکتریسیته شناخته می‌شوند. در مقابل، آب مقطر به دلیل قدرت کم در عبور دادن الکترون‌ها، هادی ضعیف الکتریسته به حساب می‌آید. موادی که به شدت یونیزه شده باشند، الکترولیت‌هایی قوی هستند. اسیدهای قوی و نمک‌ها نوعی از الکترولیت قوی محسوب می‌شوند چراکه به طور کامل در محلول یونیزه و سبب حمل بار الکتریکی در محلول و در نتیجه ایجاد جریان الکتریکی می‌شوند. موادی که به طور کامل یونیزه نشوند، در دسته‌بندی الکترولیت‌های ضعیف جای می‌گیرند. اسید و باز‌های ضعیف جزو این گروه هستند زیرا در محلول‌ها به طور کامل یونیزه نمی‌شوند.

هدایت الکتریکی یک الکترولیت معیاری برای قابلیت گذردهی الکتریسیته و واحد آن در SI، «زیمنس بر متر» $$(S / m)$$ است. اندازه‌گیری هدایت الکتریکی در صنعت و محیط زیست به عنوان یک روش ارزان و قابل اعتماد برای بررسی میزان یون موجود در یک محلول، به طور گسترده مورد استفاده قرار می‌گیرد. به طور مثال، اندازه‌گیری هدایت الکتریکی و کنترل آن، از روش‌های معمول در تصفیه آب برای مصارف خانگی و صنعتی است.

در بسیاری از موارد، هدایت الکتریکی به طور مستقیم با «کل مواد جامد محلول» (Total Dissolved Solids) مرتبط می‌شود. هدایت الکتریکی آب دیونیزه (یون‌زدوده) باکیفیت، معمولا در حدود $$5.5 \ \mu S / m$$ در دمای ۲۵ درجه سانتیگراد است. این مقدار برای آب آشامیدنی بین 5 تا 50 $$5.5 \ m S / m$$ و برای آب دریا در حدود $$5000000 \ \mu S / m$$ در نظر گرفته می‌شود. هدایت الکتریکی در گذشته از طریق اتصال الکترولیت به یک مدار پل وتسون اندازه‌گیری می‌شد. محلول‌های رقیق از قانون «کولراش» (Kohlrausch) در رابطه با هدایت الکتریکی تبعیت می‌کنند.

واحد اندازه‌گیری

همانطور که گفته شد، واحد اندازه‌گیری هدایت الکتریکی الکترولیت‌ها در SI، $$S / m$$ است که در دمای 25 درجه سانتیگراد تعریف می‌شود. البته در صنعت، مقدار $$\mu S / m$$ بدین منظور کاربرد دارد.

فیلم آموزش پیل های سوختی – مفاهیم و ساختار در فرادرس

کلیک کنید

سلول استاندارد استفاده شده در این فرآیند با عرض ۱ سانتیمتر و برای آب خالصِ در تعادل با هوا، مقاومتی در حدود $$10 ^ 6$$ اهم دارد. این مقدار به عنوان یک مگا اهم در نظر گرفته می‌شود. برای «آب فرا خالص» (Ultra- Pure Water) این مقدار در حدود 18 مگا اهم یا بیشتر است.

تبدیل هدایت الکتریکی به TDS، به نوع ترکیب شیمیایی نمونه بستگی دارد و می‌تواند از 0/54 تا 0/96 متغیر باشد. این مقدار با در نظر گرفتن سدیم کلرید به عنوان جامد، 0/64 در نظر گرفته می‌شود. به بیان بهتر، عدد $$1 \mu S / m$$ معادل با 0/64 میلی‌گرم $$Na Cl$$ در هر کیلوگرم از آب است.

اندازه‌گیری هدایت الکتریکی در الکترولیت

با اندازه‌گیری دقیق هدایت الکتریکی، در موارد بسیاری می‌توان از آن بهره برد. یکی از این کاربردها، اندازه‌گیری خلوص آب است. هدایت الکتریکی یک محلول الکترولیتی با اندازه‌گیری مقاومت محلول بین دو الکترود تیغه‌ای یا استوانه‌ای محاسبه می‌شود. لازم به ذکر است که این دو الکترود در فاصله معین از یکدیگر قرار گرفته‌اند. برای جلوگیری از بروز پدیده برقکافت (الکترولیز)،‌ از ولتاژ متناوب در دستگاه بهره می‌گیرند. مقاومت مورد نظر بوسیله «رسانا سنج» (Conductivity Meter) قابل محاسبه است.

دستگاه‌های مختلفی برای این امر وجود دارند. دو نوع اصلی در اندازه‌گیری هدایت الکتریکی الکترولیت‌ها، مدل الکترودی و القایی است. بسیاری از دستگاه‌های جدید به طور خودکار تصحیحات مربوط به دما را نیز انجام می‌دهند.

توضیح دقیق‌تر اندازه‌گیری

در یک سیم فلزی، ذرات باردار، الکترون‌ها هستند که در طول سیم حرکت می‌کنند. در یک محلول، یون‌ها این وظیفه را به عهده دارند. همچنین، شدت جریان در یک الکترولیت به موارد زیر وابسته است:

• طبیعت یون‌ها: بار، اندازه و قابلیت حرکت آنها
• طبیعت حلال: ثابت دی الکتریک و ویسکوزیته
• غلظت یون‌ها
• دما

به طور کلی، هرقدر تعداد یون‌ها در محلول بیشتر باشد، رسانایی آن نیز بیشتر است. همچنین هدایت الکتریکی تا یک میزان بیشینه، با افزایش غلظت، افزایش می‌یابد. بعد از این مقدار، رسانایی با افزایش غلظت، کاهش پیدا می‌کند.

نحوه حمل و نقل، میزان خلوص و پایداری یک محلول در اندازه‌گیری این مقدار موثر است. آلودگی، جذب‌ دی‌اکسید کربن و خارج شدن گاز از محلول سبب خطا در سنجش هدایت الکتریکی خواهد بود.

غلظت و کل مواد جامد محلول

رابطه بین هدایت الکتریکی و تعداد یون در محلول، در اندازه‌گیری غلظت آن به ما کمک می‌کند و از این طریق می‌توان به میزان «کل مواد جامد محلول» (TDS) دست یافت.

فیلم آموزش آشنایی با سنسورهای الکتروشیمیایی در فرادرس

کلیک کنید

غلظت

برخی از مواد مانند $$NaCl$$ و $$HCl$$ توسط آب به خوبی یونیزه (آبپوشی) می‌شوند. در نتیجه محلول حاصل از این مواد رسانایی بالایی دارند. اسیدها، بازها و نمک‌ها هرکدام دارای نمودار مشخصه‌ای برای سنجش هدایت الکتریکی در مقابل غلظت هستند. به همین منظور محلول‌های با اجزا و غلظت معین،‌ نیاز به تصحیح در محاسبات دارند.

کل مواد جامد محلول

فرضیات متعددی به هنگام محاسبه TDS محلول از روی هدایت الکتریکی وجود دارند. به طور کلی از یک ضریب تبدیل در محاسبات استفاده می‌شود. این ضریب تبدیل به تصحیح نیاز دارد و بر اساس طبیعت محلول متغیر است. مقدار TDS، مجموع تعداد یون‌ها با اندازه کمتر از 2 میکرون است. در آب تصفیه شده،‌ مقدار TDS با میزان شوری (غلظت یون‌های نمک در آب) برابر است. در آب‌های آلوده‌، این میزان می‌تواند شامل ذرات حل شده نظیر هیدروکربن‌ها و اوره نیز باشد. واحد اندازه‌گیری کل مواد جامد محلول، TDS، $$m g / L$$ است.

هدایت الکتریکی و دما

رسانایی الکتریکی با افزایش دما، افزایش می‌یابد. این افزایش رسانایی، به ازای هر افزایش درجه سانتیگراد، در حدود 1 تا 1/5 درصد افزایش پیدا می‌کند. در نتیجه نیاز به اعمال تصحیحات دما در محاسبات هدایت الکتریکی است.

دسته‌بندی الکترولیت‌های قوی و ضعیف

در جداول زیر الکترولیت‌های قوی، ضعیف و غیر الکترولیت‌ها آورده شده است:

الکترولیت‌های قوی

الکترولیت‌های ضعیف

غیر الکترولیت‌ها

آب مقطر و اتانول در دسته غیر الکترولیت‌ها قرار می‌گیرند.

اگر این مطلب برای شما مفید بوده است، آموزش‌های زیر نیز به شما پیشنهاد می‌شوند:

• مجموعه آموزش‌های دروس شیمی
• مجموعه آموزش‌های نرم‌افزارهای مهندسی شیمی
• آموزش زبان تخصصی مهندسی شیمی
• هیدرولیز و کاربردهای آن — به زبان ساده
• میدان الکتریکی (Electric Field) چیست؟ — از صفر تا صد

^^