Виды электрической проводимости

Как было отмечено выше, электрическая проводимость электролитов обусловлена наличием в них заряженных частиц – ионов. Чем больше концентрация ионов и их скорость движения, тем больше электрическая проводимость. Способность растворов проводить электрический ток количественно оценивают по величинам удельной и молярной электрической проводимости.

Удельная электрическая проводимость k – это проводимость 1 м³ раствора электролита, размещенного между двумя электродами, что имеют площадь 1 м² и отдаленные один от другого на расстояние 1 м.

Удельная электрическая проводимость обратно пропорциональна удельному сопротивлению слоя раствора электролита:

k =

и ее размерность См•м^-1.

Сопротивление раствора определяют по формуле:

R = ρ

где l– расстояние между электродами кондуктометрического амбарчика, м; S – их площадь, м²; с – удельное сопротивление раствора, Ом.

Удельная электрическая проводимость растворов зависит от концентрации электролита. С увеличением концентрации электролита удельная электрическая проводимость раствора возрастает в результате увеличенная степени ионизации и достигает определенного максимального значения. При последующем увеличении концентрации электрическая проводимость начинает уменьшаться.

На величину удельной электрической проводимости влияет температура. Эта зависимость является достаточно сложной, поскольку температура одновременно влияет на несколько характеристик раствора электролита (вязкость, степень ионизации, гидратацию ионов, скорость их движения и тому подобное). В большинстве случаев удельная электрическая проводимость растворов электролитов при повышении температуры увеличивается. Повышение температуры на один градус приводит к росту удельной электрической проводимости в среднем на 2%.

Таким образом, удельная электрическая проводимость растворов электролитов зависит от многих факторов. Поэтому возникла необходимость выразить электрическую проводимость так, чтобы она относилась к определенному значению концентрации. Это сделал Е.Ленц, введя понятие о молярной электрической проводимости проводников второго рода.

Молярной электрической проводимостью λ с называют электрическую проводимость объема раствора в 1 м3, в котором растворен 1 моль электролита, размещенного между электродами, расстояние между которыми равняется 1 м.

Следовательно, понятие молярной электрической проводимости связано с переменным объемом, который зависит от концентрации электролита.

Молярную электрическую проводимость вычисляют по формуле:

λ _с =

где К – емкость, или константа кондуктрометрического амбарчика, коэффициент 1000 нужнен для пересчета молярной концентрации в моль/м³. Размерность молярной электрической проводимости См•моль^-1•м³.

Молярная электрическая проводимость характеризует электрическую проводимость 1 моля электролита и ее используют для сравнения величин электрической проводимости разных электролитов и выяснения влияния концентрации на электрическую проводимость одного и того же электролита разной концентрации.

Молярная электрическая проводимость как сильных, так и слабых электролитов растет с уменьшением концентрации или с увеличением разбавления. Однако этот рост имеет природную границу. Молярная электрическая проводимость электролита достигает максимума, когда все молекулы распадутся на ионы. А затем, последующее разбавление раствора не изменяет величины молярной электрической проводимости. Эту максимальную величину называют предельной молярной электрической проводимостью и обозначают символом λ _max.

Сравнивая значение λ _max двух электролитов, которые имеют общий анион или катион, немецкий физико-химик Ф.Кольрауш сделал вывод, что предельная молярная электрическая проводимость состоит из независимых одна от другой предельных молярных електропроводностей, или, иначе говоря, предельных подвижностей катиона и аниона.

λ _max = λ ⁺ + λ ^-

Это уравнение является математическим выражением закона Кольрауша, который называют законом адитивности предельной молярной электрической проводимости ионов, или законом независимости движения ионов.

Практическое применение кондуктометрии.

Измерение электрической проводимости растворов (кондуктометрия) является основой кондуктометрических методов анализа. Эти методы простые, очень удобные, достаточно точные и поэтому дают возможность решать ряд научно-исследовательских и производственных заданий. По данным электрической проводимости растворов определяют основания органических кислот, растворимость и произведение растворимости малорастворимых соединений, влажность разных объектов, степень минерализации и ионное произведение воды. Большое практическое значение имеет кондуктометрическое титрование – метод определения точки эквивалентности по изменению электрической проводимости раствора.

Кондуктометрическое титрование. В этом электрохимическом методе анализа точку эквивалентности находят графически по изменению электрической проводимости раствора в процессе титрования. По полученным данным строят график зависимости удельной электрической проводимости от объема прибавленного титранта, который называют кривой кондуктометрического титрования.

Для кондуктометрического определения концентрации вещества, как правило, пригодные такие реакции, на кривых титрования которых наблюдается четкий излом в точке эквивалентности.

Чаще всего это реакции: а) кислотно-основного взаимодействия; б) осаждения; в)комплексообразования; г) окисления-восстановления.

Методы кондуктометрического титрования получили наибольшее распространение для определения концентрации кислот и оснований, поскольку при кислотно-основных взаимодействиях в растворах изменяется концентрация высоко подвижных ионов гидроксония и гидроксид-ионов и кривые титрования имеют четко выраженные изломы.

Применение кондуктометрии в медицине.

Электрическая проводимость тканей человеческого организма имеет большое физиологичное значение и ее измерения широко применяют в медицине.

Электрическая проводимость биологических объектов неодинаковая. Наибольшую проводимость имеют спинномозговая жидкость, лимфа, желчь, кровь; хорошо проводят ток мышцы, подкожная клетчатка, серое вещество головного мозга. Значительно ниже является электрическая проводимость легких, сердца, печени, и наименьшая она у жировой, нервной и костной тканей.

Изучение электрических свойств клеток и тканей имеет большое значение для понимания их структуры и физико-химических свойств.

Биологические объекты являются гетерогенными системами. Цитоплазма клеток и межклеточная жидкость имеют высокую электрическую проводимость из-за наличия в них большого количества ионов. Мембраны, или оболочки клеток, отличаются относительно малой электрической проводимостью, ибо они построены из липидов и белков. Вследствие этого ткани проводят постоянный и переменный электрический ток низкой частоты исключительно по межклеточным промежуткам, но прохождению переменного тока высокой частоты оболочки клеток не препятствуют. При разрушении клеточных мембран разница в величине электрической проводимости тканей для постоянного и переменного токов исчезает.

В медицинских и биологических исследованиях электрическую проводимость клеток и тканей измеряют при разных частотах тока. Частотный характер зависимости проводимости дает возможность сделать выводы о размере и форме клеток, проницаемости мембран, сравнить объемы клеток и межклеточного пространства, определить содержание ионов и воды в клетках.

Кондуктометрия удобная тем, что она не вносит существенных изменений в физико-химические процессы клеток и таким образом принадлежит к неразрушительным методам исследования. Этот метод применяют при изучении факторов повреждения (травмы, ожоги, облучение разного вида) на ход физиологичных процессов.

Методы кондуктометрии широко применяют для быстрого определения клинического состояния организма. Так, в норме удельная электрическая проводимость мочи человека находится в границах 165 – 229 См•м^-1. При заболеваниях почек (нефрит, нефросклероз) электрическая проводимость мочи снижается до 86 – 138 См•м^-1. У больных диабетом электрическая проводимость мочи также снижена в результате увеличения содержания сахара. Исследование электрической проводимости желудочного сока дает возможность определить его кислотность. Снижение электрической проводимости крови наблюдается у больных пневмонией, диабетом, кетонурией и желтухой.

На основании измерения электрического сопротивления крови определяют кровенаполнение органов и сосудов. Поскольку кровь сравнительно с другими клеточными жидкостями имеет меньшую электрическую проводимость, сопротивление сердца и сосудов при их наполненные кровью увеличивается. Метод регистрации кровенаполнения органов на основании измерения электрического сопротивления называют реографией. Она дает возможность исследовать кровообращение в печенке, почках, сердце, магистральных и мелких сосудах в норме и при наличии патологии.

Метод исследования мозгового кровообращения, которое базируется на регистрации пульсовых колебаний электрического сопротивления мозга во время прохождения сквозь него тока высокой частоты, но низкого по силе напряжения, называют реоэнцефалографией. Им определяют состояние гемодинамики и пульсовое кровенаполнение отдельных участков мозга, сосудов и венозное кровообращение.

Таким образом, кондуктометр имеет широкое применение в биологии и медицине для решения диагностических и исследовательских заданий.