Электропроводность воды – очень важное для каждого из нас свойство воды.
Каждый человек должен знать, что вода, как правило, обладает электропроводностью. Незнание этого факта может привести к пагубным последствиям для жизни и здоровья.
Дадим несколько определений понятию электропроводность, в общем, и электропроводности воды в частности.
Электропроводность, это …
Скалярная величина, характеризующая электропроводность вещества и равная отношению плотности электрического тока проводимости к напряженности электрического поля.
Свойство вещества проводить неизменяющийся во времени электрический ток под действием неизменяющегося во времени электрического поля.
Толковый словарь Ушакова
Электропроводность (электропроводности, мн. нет, жен. (физ.)) — способность проводить, пропускать электричество.
Толковый словарь Ушакова. Д.Н. Ушаков. 1935-1940
Большая политехническая энциклопедия
Электропроводность или Электрическая проводимость — свойство вещества проводить под действием не изменяющегося электрического поля неизменяющийся во времени электрический ток. Э. п. обусловлена наличием в веществе подвижных электрических зарядов - носителей тока. Видом носителя тока определяется электронная (у металлов и полупроводников), ионная (у электролитов), электронно-ионная (у плазмы) и дырочная (совместно с электронной) (у полупроводников). В зависимости от удельной электрической проводимости все тела делят на проводники, полупроводники и диэлектрики, физ. величина, обратная электрическому сопротивлению. В СИ единицей электрической проводимости является сименс (см.); 1 См = 1 Ом-1.
Большая политехническая энциклопедия. — М.: Мир и образование. Рязанцев В. Д.. 2011
Электропроводность воды, это …
Политехнический терминологический толковый словарь
Электропроводность воды – это показатель проводимости водой электрического тока, характеризующий содержание солей в воде.
Политехнический терминологический толковый словарь. Составление: В. Бутаков, И. Фаградянц. 2014
Морской энциклопедический справочник
Электропроводность морской воды — способность морской воды проводить ток под действием внешнего электрического поля благодаря наличию в ней носителей электрических зарядов - ионов растворенных солей, главным образом NaCl. Электропроводность морской воды увеличивается пропорционально повышению ее солености и в 100 - 1000 раз больше, чем у речной воды. Зависит также от температуры воды.
Морской энциклопедический справочник. - Л.: Судостроение. Под редакцией академика Н. Н. Исанина. 1986
Из приведенных выше определений становится очевидным, что величина электропроводности воды не является константой, а зависит от наличия в ней солей и других примесей. Так, например, электропроводность дистиллированной воды минимальна.
Как же узнать электропроводность воды, как ее измерить …
Кондуктометрия — измерение электропроводности воды
Для измерения электропроводности воды используется метод Кондуктометрия (смотрите определения ниже), а приборы, с помощью которых производят измерения электропроводности, имеют созвучное методу название – Кондуктометры.
Кондуктометрия, это …
Толковый словарь иностранных слов
Кондуктометрия и, мн. нет, ж. (нем. Konduktometrie < 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.
Толковый словарь иностранных слов Л. П. Крысина.- М: Русский язык, 1998
Энциклопедический словарь
Кондуктометрия (от англ. conductivity - электропроводность и греч. metreo - измеряю) — электрохимический метод анализа, основанный на измерении электрической проводимости растворов. Применяют для определения концентрации растворов солей, кислот, оснований, контроля состава некоторых промышленных растворов.
Энциклопедический словарь. 2009
Удельная электропроводность воды
И в завершение приведем несколько значений удельной электропроводности для различных видов вод*.
Удельная электропроводность воды, это …
Справочник технического переводчика
Удельная электропроводность воды — электропроводность единицы объема воды.
[ГОСТ 30813-2002]
Удельная электропроводность воды * :
- Водопроводная вода – 36,30 мкСМ/м;
- Дистиллированная вода – 0,63 мкСМ/м;
- Питьевая (бутилированная) – 20,2 мкСМ/м;
- Питьевая вымороженная – 19,3 мкСМ/м;
- Водопроводная вымороженная – 22 мкСМ/м.
* Статья «Электропроводность образцов питьевой воды разной степени чистоты» Авторы: Воробьёва Людмила Борисовна. Журнал: «Интерэкспо Гео-Сибирь Выпуск № -5 / том 1 / 2012».
Способность электролитов при подаче на них электрического тока становиться проводниками называется электролитической электропроводимостью. Рассмотрим солевые и кислотные электролиты, а также электролиты-основания, относящиеся к водным растворам. Данные вещества отличаются тем, что концентрация образующихся в них анионов (ионов заряженных отрицательно) и катионов (ионов заряженных положительно) вследствие электролитической диссоциации 2 достаточно высока. Растворы-электролиты относятся ко второму роду проводников. Их проводимость в электрическом поле, в отличие от первой группы проводников, обусловлена ионной активностью.
Проводники обладают способностью к сопротивлению (R). По закону Ома эта величина находится в прямой пропорции по отношению к длине проводника (l ), а к площади (S) его сечения она обратно пропорциональна. Коэффициент пропорциональности - показатель удельного сопротивления (ρ) проводника сантиметровой длины с сечением 1 см 2:
Электропроводность обозначается См (S) и измеряется в единицах системы СИ - в сименсах (siemens). Получаем следующее выражение: Ом −1 = кг −1 .м −2 .с 3 А 2 .
Различают электропроводность удельную ( K - каппа) и молярную илииначе эквивалентную ( Λ - лямбда) 3 .
Примечание 1: Концентрации приведены в граммах на килограмм раствора.
Примечание 2: Термин «электролитическая диссоциация» обозначает частичный либо полный молекулярный распад на катионы и анионы растворяемого вещества.
Примечание 3: Употребление термина «эквивалентная электропроводность» не рекомендовано. Основание - инструкция, составленная Комиссией союза чистой и прикладной химии. В международной электрохимической номенклатуре IUPAC принят термин «молярная электропроводность».
1. Удельная электропроводность
Ее используют для количественного определения способности электролитных растворов проводить ток. Она обратная удельному сопротивлению - показателю раствора, заполняющего пространство между электродами с площадью в 1 см 2 , помещенными друг от друга на сантиметровом расстоянии:
Эта величина определяется природой электролитного раствора, его температурой и насыщенностью. Удельная электропроводность возрастает с повышением температуры, что является отличительной особенностью таких электролитов в сравнении с проводниками первого рода. Скорость движения ионов возрастает в силу снижения сольватированности ионов и уменьшения вязкости раствора.
Рис.1 наглядно демонстрирует, как изменяется удельная электропроводность в зависимости от концентрированности растворов. За единицу измерения этой величины принят См/м - сименс на метр (1 См/м = 1 Ом-1м-1). Чаще применяется производная величина - мкСм/см.
Удельная электропроводность с подъемом насыщенности сначала возрастает, а достигнув определенного максимума, уменьшается. Нужно отметить, что в отношении сильных электролитов зависимость выражена четко, в отношении же слабых растворов она гораздо слабее. Присутствие на кривых сильных растворов показателей с предельными значениями говорит о том, что скорость ионного движения в разбавленных электролитах от их насыщенности зависит незначительно и вначале возрастает в прямойпропорциональности к количеству ионов. С наращиванием концентрации взаимодействие ионов усиливается, что приводит к уменьшению скорости движения. Участок максимума на кривой слабого электролита обусловлен снижением степени диссоциации, вызванным ростом концентрации. Достигнув определенной насыщенности, концентрация поднимается быстрее, нежели численное содержание ионов в растворе. Чтобы описать влияние ионного взаимодействия и насыщенности электролитов на их электрическую проводимость, пользуются понятием « молярная электропроводность ».
2. Молярная электропроводность
Λ (электропроводность молярная - см. прим. 4) - величина, обратная электролитному сопротивлению для проводника с содержанием вещества 1 моль, который разместили между электродами, установленными друг от друга на сантиметровом расстоянии. Для определения связи молярной электропроводности с молярной концентрированностью раствора (М) и удельной электропроводностью (К) выведено следующее соотношение:
Примечание 4: Удельная электропроводность 1N раствора электролита называется эквивалентной (Λ = 1000 К / N). Концентрация (N) выражается в г-экв/л. Однако инструкция от ИЮПАК термин «эквивалентная электропроводность» употреблять не рекомендует.
Молярная электропроводность в отношении и сильных и слабых электролитов прогрессирует с понижением концентрации (то есть, с падением насыщенности раствора (V = 1/М) его электропроводность повышается). Она достигает предельного показателя Λ 0. Этот максимум носит название молярной электропроводности при бесконечном разведении.
Для электролитов слабых (рис.2) зависимость этой величины от концентрации обуславливается в основном подъемом степени диссоциации, вызванным разбавлением электролитного раствора. В сильных же электролитах со снижением насыщенности ослабляется взаимодействие ионов. Интенсивность их перемещений растет, что и влечет за собой
овышение молярной электропроводности раствора.
Исследования Ф. Кольрауша показывают, каким образом каждый из ионов вносит лепту в молярную электропроводность электролитов бесконечно разведенных растворов (предельное разбавление). Он определил, что λ0 (предельная ионная электропроводность) - это сумма молярных электропроводностей, демонстрируемых катионом и анионом, а также вывел формулировку закона независимости ионного движения:
При бесконечном электролитном разбавлении молярная электропроводность равняется сумме катионных и анионных подвижностей в электролитическом растворе:
Λ 0 = К 0 + + К 0 - (4)
3. Факторы, определяющие электропроводность раствора
Концентрация солей и температура - основные факторы, определяющие водную электропроводность. Основная минеральная составляющая воды в природе:
Катионы K + , Na + , Mg 2+ , Ca 2+ ;
Анионы HCO 3 - , Cl - , SO 4 2- .
Присутствуют и другие ионы (Al 3+ , Fe 3+ , Mn 2+ , Fe 2+ , H 2 PO 4 - , NO 3 - , HPO 4 2-), но их влияние на электропроводность несущественна, ведь обычно их содержание в воде мало. Значения электропроводности позволяют судить об уровне ее минерализации. В природе удельная электропроводность воды составляет 100-2000 мкСм/см при минерализации от 50 до 1000 мг/л (в атмосферных осадках -10-120 мкСм/см при минерализации 3-60 мг/л).
4. Электропроводность. Проведение расчетов
Применив формулы 3 и 4, и имея под рукой показатели ионных электропроводностей ( К), можно произвести расчеты электропроводности ( К и Λ ) в отношении любого раствора:
К = (К + + К - ) М /1000 (5)
В приведенной здесь таблице 1 можно найти ионные и предельные ионные электропроводности, характерные для часто встречающихся ионов в разбавленных растворах (температура +18°С).
Таблица 1
Пример 1: Необходимо произвести вычисления по удельной электропроводности (К). Раствор KCl (хлористый калий) 0,0005 М.
Решение: Диссоциация KCl в водных растворах происходит на ионы К + и Cl - . Воспользовавшись справочником, либо данными, приведенными таблице 6, находим показатели ионных электропроводностей при 18°С в разведенных растворах:
К + - концентрация ионов 0,0005 М (λ = 63.7 Ом -1 . см 2 . моль -1);
Cl - - концентрация ионов 0,0005 М (λ = 64.4 Ом -1 . см 2 . моль -1).
Если требуется сделать расчет удельной электропроводности электролитного раствора, в составе которого имеется смесь различных ионов, формула приобретает следующий вид:
k = Σ λ i Мi /1000 (6)
Исчисления, приведенные выше, верны касательно сильных электролитов. В отношении же слабых растворов придется воспользоваться дополнительными расчетами, связанными с использованием констант диссоциаций и определением насыщенности свободными ионами. Молярная электропроводность, например, раствора 0,001 М уксусной кислоты - Λ= 41 Ом-1.см2.моль-1 (18 °С) , однако применив формулу (6) будет выведена величина примерно равная 351.9 Ом -1 .см 2 .моль -1 .
Пример 2: Требуется узнать удельную электропроводность (k) для раствора 0,001 М уксусной кислоты (СН3СООН).
Решение: Диссоциация слабых водных растворов уксусной кислоты происходит на ионы CН 3 СОО - и Н + (СН 3 СООН ↔ Н + + CН 3 СОО -).
Константа - КСН 3 СООН = [Н+] . / [СН 3 СООН].
Для кислоты одноосновной - [Н+] = = х.
Насыщенность диссоциированными молекулами слабой кислоты в сравнении с общей концентрацией слишком низка, и значит, ее можно принять за равную М (М = 0.001моль/л).
КСН 3 СООН = х 2 /М, К СН3СООН = 1.8 . 10 -5 .
По условию: насыщенность кислоты 0.001 М (0.001 г-экв/л).
Располагая данными по насыщенности ионами Н + и CН 3 СОО - , а также по их электропроводности (λ н+ 0.001 = 311 Ом -1 . см 2 . моль -1 , λ снзсоо- 0.001 ≈ 40.9 Ом -1 . см 2 . моль -1), вычисляется удельная электропроводность «k».
k = (311 + 40.9) . 0.001/1000 = 3,52 .10 -4 Ом -1 см -1 (См/см) или 352 мкСм/см.
Уважаемые господа, если у Вас имеется потребность коррекции показателя «Электропроводность» для доведения качества воды до определённых нормативов, сделайте запрос специалистам компании Waterman . Мы предложим Вам оптимальную технологическую схему очистки воды.
Электрическая проводимость – это способность веществ проводить электрический ток под действием внешнего электрического поля. Электрическая проводимость – величина, обратная электрическому сопротивлению L = 1/ R .
где ρ
– удельное
сопротивление, Ом·м;
- удельная электрическая проводимость,
См/м (сименс/метр);S
– поперечное сечение, м 2 ;
l
– длина
проводника, м) (в электрохимии
удельная электрическая проводимость
(
)
читается - каппа
).
Единица измерения L – сименс (См), 1 См = 1 Ом -1 .
Удельная электрическая проводимость раствора характеризует проводимость объема раствора, заключенного между двумя параллельными электродами, имеющими площадь по 1 м 2 и расположенными на расстоянии 1 м друг от друга. Единица измерения в системе СИ - См·м -1 .
Удельная проводимость раствора электролита определяется количеством ионов, переносящих электричество и скоростью их миграции:
,
(2.5)
где α
– степень диссоциации электролита; С
– молярная концентрация эквивалента,
моль/м 3 ;
F
– число
Фарадея, 96485 Кл/моль;
- абсолютные скорости движения катиона
и аниона (скорости при градиенте
потенциала поля, равном 1 В/м); единица
измерения скорости - м 2 В -1 с -1 .
Из уравнения (2.5)
следует, что
зависит от концентрации как для сильных
так и для слабых электролитов (рисунок
2.1):
Рисунок 2.1 – Зависимость удельной электрической проводимости от концентрации электролитов в водных растворах
В разбавленных
растворах при С → 0
стремится к удельной электропроводности
воды, которая составляет около 10 -6
См/м и обусловлена присутствием ионов
Н
3
О
+
и
ОН
-
.
С ростом концентрации электролита,
вначале увеличивается, что отвечает
увеличению числа ионов в растворе.
Однако, чем больше ионов в растворе
сильных электролитов, тем сильнее
проявляется ионное взаимодействие,
приводящее к уменьшению скорости
движения ионов. У слабых электролитов
в концентрированных растворах заметно
снижается степень диссоциации и,
следовательно, количество ионов,
переносящих электричество. Поэтому,
почти всегда, зависимость удельной
электрической проводимости от концентрации
электролита проходит через максимум.
2.1.3 Молярная и эквивалентная электрические проводимости
Чтобы выделить
эффекты ионного взаимодействия, удельную
электрическую проводимость
делят на молярную концентрацию
(С, моль/м 3),
и получают молярную
электрическую проводимость
;
или делят на молярную концентрацию
эквивалента и получаютэквивалентную
проводимость.
.
(2.6)
Единицей измерения
является м 2 См/моль.
Физический смысл эквивалентной
проводимости состоит в следующем:
эквивалентная проводимость численно
равна электрической проводимости
раствора, заключенного между двумя
параллельными электродами, расположенными
на расстоянии 1 м и имеющими такую
площадь, что объем раствора между
электродами содержит один моль эквивалента
растворенного вещества (в случае молярной
электрической проводимости – один моль
растворенного вещества). Таким образом,
в случае эквивалентной электрической
проводимости в этом объеме будет N А
положительных и N А
отрицательных зарядов для раствора
любого электролита при условии его
полной диссоциации (N А
– число Авогадро). Поэтому, если бы ионы
не взаимодействовали друг с другом, то
сохранялась бы постоянной при всех
концентрациях. В реальных системах
зависит от концентрации (рисунок 2.2).
При С → 0,
→ 1, величина
стремится к
,
отвечающей отсутствию ионного
взаимодействия. Из уравнений (2.5 и 2.6)
следует:
Произведение
называютпредельной
эквивалентной электрической проводимостью
ионов
, или
предельной
подвижностью
ионов:
.
(2.9)
Соотношение (2.9) установлено Кольраушем и называется законом независимого движения ионов . Предельная подвижность является специфической величиной для данного вида ионов и зависит только от природы растворителя и температуры. Уравнение для молярной электрической проводимости принимает вид (2.10):
,
(2.10)
где
- число эквивалентов катионов и анионов,
необходимых для образования 1 моль соли.
Пример:
В случае одновалентного
электролита, например, HCl,
,
то есть молярная и эквивалентная
электрические проводимости совпадают.
Рисунок 2.2 – Зависимость эквивалентной электропроводности от концентрации для сильных (а) и слабых (б) электролитов
Для растворов
слабых электролитов эквивалентная
электрическая проводимость остается
небольшой вплоть до очень низких
концентраций, по достижении которых
она резко поднимается до значений,
сравнимых с
сильных электролитов. Это происходит
за счет увеличения степени диссоциации,
которая, согласно классической теории
электролитической диссоциации, растет
с разбавлением и, в пределе, стремится
к единице.
Степень диссоциации можно выразить, разделив уравнение (2.7) на (2.8):
.
С увеличением
концентрации
растворов сильных электролитов
уменьшается, но незначительно. Кольрауш
показал, что
таких растворов при невысоких концентрациях
подчиняется уравнению:
,
(2.11)
где А – постоянная, зависящая от природы растворителя, температуры и валентного типа электролита.
По теории Дебая – Онзагера снижение эквивалентной электрической проводимости растворов сильных электролитов связано с уменьшением скоростей движения ионов за счет двух эффектов торможения движения ионов, возникающих из-за электростатистического взаимодействия между ионом и его ионной атмосферой. Каждый ион стремится окружить себя ионами противоположного заряда. Облако заряда называют ионной атмосферой, в среднем оно сферически симметрично.
Первый эффект – эффект электрофоретического торможения . При наложении электрического поля ион движется в одну сторону, а его ионная атмосфера – в противоположную. Но с ионной атмосферой за счет гидратации ионов атмосферы увлекается часть растворителя, и центральный ион при движении встречает поток растворителя, движущегося в противоположном направлении, что создает дополнительное вязкостное торможение иона.
Второй эффект – релаксационного торможения . При движении иона во внешнем поле атмосфера должна исчезать позади иона и образовываться впереди него. Оба эти процесса происходят не мгновенно. Поэтому впереди иона количество ионов противоположного знака меньше, чем позади, то есть облако становится несимметричным, центр заряда атмосферы смещается назад, и поскольку заряды иона и атмосферы противоположны, движение иона замедляется. Силы релаксационного и электрофоретического торможения определяются ионной силой раствора, природой растворителя и температурой. Для одного и того же электролита, при прочих постоянных условиях, эти силы возрастают с увеличением концентрации раствора.
Основные сведения. Измерение удельной электропроводности водных растворов получило широкое распространение в лабораторной практике, при автоматическом химическом контроле водного режима паросиловых установок, эффективности работы установок очистки воды и промышленных теплообменных и других установок, а также различных показателей качества, характеризующих химикотехнологические процессы.
Технические средства, предназначенные для измерения удельной электропроводимости водных растворов, принято называть кондуктометрическими анализаторами жидкости. Шкалу вторичных приборов кондуктометров жидкости (лабораторных и промышленных) для измерения удельной электропроводности градуируют в единицах сименс на сантиметр или микросименс на сантиметр Кондуктометры жидкости, которые применяют в производственных условиях для измерения показателей качества, характеризующих содержание солей в паре, конденсате и питательной воде парогенераторов, обычно называют солемерами. Шкалу вторичных приборов солемеров градуируют по (на условное содержание в растворе этих солей) в следующих единицах: миллиграмм на килограмм микрограмм на килограмм или миллиграмм на литр и микрограмм на литр Кондуктомеры жидкости, используемые для измерения концентрации растворов солей, кислот, щелочей и т. д., называют часто концентратомерами. Шкала вторичных приборов концентратомеров градуируется в процентах значения массовой концентрации. Кондуктометрические анализаторы жидкости используются также и в качестве сигнализаторов.
При повышенных требованиях к показателям качества питательной воды, пара и конденсата необходимо производить измерение малых значений электропроводности, не превышающих 5-б При контроле за истощением фильтров очистительных установок значение измеряемой электропроводности воды составляет , а при контроле концентрации растворов реагентов - от до .
Измерение электропроводности водных растворов обычно производят с помощью электродного кондуктометрического измерительного преобразователя, состоящего из двух электродов,
расположенных в сосуде, в который поступает контролируемый водный раствор. Устройство этих преобразователей и применяемые измерительные схемы кондуктометров жидкости рассматриваются ниже. Для измерения электропроводности растворов широко применяют также безэлектродные кондуктометры жидкости.
Удельная электропроводность представляет собой величину, обратную удельному сопротивлению:
Здесь удельная электропроводность, удельное сопротивление, Ом-см, определяемое выражением
где электрическое сопротивление фиксированного объема раствора с концентрацией С между металлическими электродами, Ом; эффективное поперечное сечение раствора, через которое протекает ток, расстояние между электродами, см.
Согласно уравнению (22-2-2) выражение (22-2-1) принимает вид:
где электрическая проводимость фиксированного объема раствора, Ом; постоянная электродного преобразователя,
Из выражения (22-2-3) имеем:
Для преобразователей с простой конфигурацией электродов постоянная может быть определена расчетным путем. Если преобразователь имеет сложную конструкцию, то постоянная определяется экспериментально.
Следует отметить, что на основании изучения удельной электропроводимости мы не имеем возможности производить сравнение значений электропроводимости растворов между собой в зависимости от их концентрации. Это становится возможным при введении понятия эквивалентной электропроводности. Кольрауш эквивалентной электропроводностью назвал величину
где - эквивалентная электропроводность, См -экв; -эквивалентная концентрация растворенного вещества, .
Значение электропроводности растворов зависит не только от эквивалентной концентрации и эквивалентной электропроводности, но также и от степени электролитической диссоциации раствора.
Следовательно, в общем случае, когда не все молекулы распались на ионы, для удельной электропроводности получим следующее уравнение:
Здесь степень электролитической диссоциации, т. е. отношение числа диссоциированных молекул электролита к общему числу растворенных молекул. Электролитами называют вещества, водные растворы которых проводят электрический ток (соли, щелочи и кислоты). Степень электролитической диссоциации а зависит как от природы растворенного вещества, так и от концентрации раствора. Числовое значение а увеличивается с разбавлением раствора. В зависимости от степени электролитической диссоциации электролиты делятся на сильные (соляная, серная, азотная кислоты, щелочи, почти все соли) и слабые (например, органические кислоты). Для сильных электролитов, которые в водных растворах при малой концентрации почти полностью распадаются на ионы, значение а принимают равным единице.
Рис. 22-2-1. Зависимость электропроводности водных растворов некоторых веществ от их концентрации при 18° С.
Уравнение (22-2-6) можно представить в следующем виде:
где подвижность соответственно катионов и анионов
Подвижности ионов представляют собой произведение их абсолютной скорости на число Фарадея
Электропроводность водных растворов находится в сложной зависимости от концентрации раствора. На рис. 22-2-1 представлены зависимости удельной электропроводности к водных растворов некоторых веществ от их концентрации. Из этого графика видно, что однозначная зависимость между электропроводностью раствора и концентрацией имеет место лишь в том случае, если измерения электропроводности выполняются в области сравнительно низких концентраций. Концентрации растворенных веществ, которые приходится определять при контроле качества пара, конденсата, питательной и котловой воды, соответствуют начальным участкам приведенных на рис. 22-2-1 кривых, где удельная электропроводность непрерывно увеличивается с ростом концентраций.
При измерении электропроводности конденсата пара и питательной воды, являющихся водными растворами с очень малой концентрацией солей, степень электролитической диссоциации можно
принять равной единице. В этом случае для определения электропроводности можно использовать упрощенное уравнение
Здесь эквивалентная электропроводность при бесконечном разбавлении, которая определяется равенством
где - подвижности соответственно катионов и анионов при бесконечном разбавлении раствора (для .
Значения и температурных коэффициентов подвижностей ионов, соответствующие температуре 18° С, приведены в . Температура при измерении удельной электропроводности водных растворов обычно принимается за нормальную (исходную), для которой приводятся данные по электропроводности.
При измерении электропроводности необходимо учитывать влияние температуры раствора на показания прибора, так как с изменением температуры раствора на 1°С его электропроводность изменяется на Этим определяется важность поддержания постоянства температуры анализируемого раствора при измерении электропроводности или использования эффективно работающей автоматической температурной компенсации, уменьшающей влияние колебаний температуры раствора на показания прибора.
Зависимость электропроводности водных растворов от температуры при малых отклонениях от 18° С выражается формулой
При температуре отличающейся от 18° С на 10-25° С и более, необходимо пользоваться уравнением
где температурный коэффициент электропроводности согласно формуле
Здесь температурные коэффициенты подвижности соответственно катиона и аниона
Температурный коэффициент электропроводности по данным Кольрауша, связан с коэффициентом соотношением
Зависимость электрического сопротивления фиксированного объема раствора между электродами преобразователя от температуры незначительно отличающейся от 18° С, выражается формулой
При температуре отличающейся от 18° С на 10-25° С и более, следует пользоваться уравнением
При контроле водного режима электростанций концентрацию солей обычно выражают в миллиграммах на литр или микрограммах на литр В приведенных выше уравнениях используется эквивалентная концентрация. Пересчет этих концентраций производят по формуле
где эквивалентная концентрация, С-концентрация, - эквивалентная масса ионов растворенного вещества, согласно формуле
Здесь эквивалентная масса соответственно катиона и аниона растворенного вещества (для . Значения эквивалентных масс ионов веществ, встречающихся при измерении электропроводности водных растворов, приведены в .
Выше отмечалось, что градуировка кондуктометров жидкости (солемеров) производится по т. е. на условное содержание в растворе этой соли. Это обусловлено тем, что среди различных солей, содержащихся в конденсате водяного пара и питательной воде парогенераторов, средним значением электропроводности обладает хлористый натрий
Электропроводность водного раствора при малых концентрациях и при исходной температуре С может быть определена с учетом выражений (22-2-8), (22-2-9) и (22-2-16) по уравнению
Подставляя в это выражение значения и получаем:
Градуировку кондуктометров жидкости (солемеров) обычно производят при нормальной температуре . Для пересчета на значение температуры можно воспользоваться формулой (22-2-10)
Подставляя в это уравнение значения получаем:
Электрическое сопротивление фиксированного объема раствора преобразователя при малой его концентрации и при температуре С может быть определено с учетом выражений (22-2-3) и (22-2-20) по формуле
В конденсате пара и питательной воде парогенераторов кроме небольшого количества солей обычно присутствуют растворенные газы - аммиак и углекислый газ и гидразин. Наличие растворенных газов и гидразина изменяет электропроводность конденсата и питательной воды, и показания кондуктометра жидкости (солемера) не соответствуют однозначно условному содержанию солей, т. е. значению сухого остатка, полученного путем выпарки конденсата или питательной воды. Это приводит к необходимости внесения поправок в показания прибора или применения дополнительного устройства для удаления из пробы растворенных газов и гидразина.
Дополнительное устройство в виде дегазатора для удаления из пробы растворенных газов не исключает влияния на показания кондуктометрического анализатора гидразина. Применяемый в настоящее время фильтр, заполненный катионитом марки позволяет исключить влияние на показания прибора аммиака и гидразина.
Электродные кондуктометрические преобразователи. Электродные преобразователи, применяемые для измерения электропроводности растворов, изготовляют для лабораторных исследований различных растворов и для технических измерений. Измерения в лабораторных условиях производят на переменном токе. При этом необходимо отметить, что кондуктометрический метод измерения на переменном токе остается общепринятым в повседневной лабораторной практике. Технические измерения электропроводности растворов с использованием электродных преобразователей производят, как правило, на переменном токе с частотой 50 Гц.
Устройство, размеры, а следовательно, и постоянная электродных преобразователей в существенной степени зависят от измеряемого значения электропроводности раствора. В технических измерениях наиболее распространены преобразователи с цилиндрическими коаксиальными и в меньшей степени - с плоскими электродами. Устройство преобразователей с цилиндрическими коаксиальными электродами схематично показано на рис. 22-2-2. У преобразователя, представленного на рис. 22-2-2, а, наружный цилиндрический электрод является одновременно и корпусом его. Второй преобразователь (рис. 22-2-2, б) имеет также цилиндрические коаксиальные электроды, но они расположены в стальном его корпусе, к которому приварен один электрод. Этот преобразователь
используется в солемерах ЦКТИ с малогабаритными концентраторами . В преобразователь через левый штуцер из концентратора поступает дегазированная и обогащенная проба, имеющая постоянную температуру, близкую к 100° С. Верхний штуцер преобразователя соединяют стальной трубой с паровым пространством малогабаритного концентратора, солемера. Схема устройства преобразователя с плоскими электродами приведена на рис. 22-2-3. Особенность преобразователя, показанного на рис. 22-2-3, заключается в том, что площади его электродов и эффективного сечения раствора, через которое протекает ток, неодинаковы.
Рис. 22-2-2. Устройство преобразователей с цилиндрическими коаксиальными электродами. 1 - зажимы для присоединения проводов; 2 - электроды; 3 - стальной корпус; 4 - изоляторы.
Рис. 22-2-3. Устройство преобразователя с плоскими электродами. 1 - корпус преобразователя; 2 - зажимы для присоединения проводов; 3 - электроды.
Кроме рассмотренных проточных электродные преобразователи выполняют также погружного типа, непосредственно погружаемые в трубопровод с жидкостью, электропроводность (или концентрацию) которой необходимо контролировать. Электроды преобразователей для технических измерений выполняют из нержавеющей стали марки Электроды преобразователей для лабораторных исследований растворов электролитов изготовляют из платины. Для уменьшения поляризации электродов их покрывают слоем платиновой черни. Сосуды этих преобразователей выполняют обычно из стекла. Размеры сосудов выбирают в зависимости от ожидаемого значения электропроводности исследуемого раствора.
На электродах преобразователя, соприкасающихся с раствором, протекают сложные электрохимические процессы. Пространство между электродами заполнено при измерении электропроводности водных растворов средой с высоким значением диэлектрической проницаемости. По этим причинам фиксированный объем раствора между электродами преобразователя при измерении на переменном токе представляет комплексное электрическое сопротивление - комбинацию активных
и емкостных составляющих. Эквивалентная электрическая схема электродного преобразователя с учетом электродных процессов представлена на рис. 22-2-4. К электродным процессам относятся процесс электролиза раствора при прохождении через него электрического тока и процесс образования двойного электрического слоя на границе раздела сред «металл электрода - раствор». Образование двойного электрического слоя происходит за счет воздействия внешнего электрического поля, неравенства химических потенциалов ионов металла электродов и ионов в растворе и специфической адсорбции ионов и полярных молекул. В цепи переменного тока двойной электрический слой эквивалентен электрической емкости Электрическая емкость двойного слоя не зависит от частоты напряжения питания и является функцией концентрации и размера приложенного к электродам потенциала.
Рис. 22-2-4. Эквивалентная электрическая схема электродного преобразователя.
Эквивалентная электрическая схема процесса поляризации представляется в общем случае нелинейным активно-емкостным сопротивлением которое называют фарадеевским импедансом. Одна из моделей эквивалентной схемы определяется выражением
где постоянная, Ом - угловая скорость, рад/с При осуществлении технических измерений стремятся создать такую конструкцию электродного преобразователя, чтобы его полное сопротивление определялось активным сопротивлением фиксированного объема раствора между электродами а влияние электрохимических процессов и обусловленных этими процессами реактивных составляющих электрического сопротивления было бы пренебрежимо мало. Если эти условия выполнены с требуемым приближением, то электрическое сопротивление фиксированного объема раствора между электродами преобразователя определяется согласно выражению (22-2-3) следующей формулой:
Рис. 22-2-5. Упрощенная эквивалентная электрическая схема электродного преобразователя.
Рассмотрим упрощенную эквивалентную электрическую схему электродного преобразователя, которая не учитывает эффекта электролиза. В этом случае полное сопротивление преобразователя будет определяться, как это следует из схемы, показанной на рис. 22-2-5, емкостями двойного слоя на электродах активным электрическим сопротивлением раствора между электродами и емкостью шунтирующей это сопротивление. Емкость может быть названа «конструктивной». Следует отметить, что вода обладает большим по сравнению с другими жидкостями значением относительной диэлектрической проницаемости (для конденсата при что приводит к необходимости учета емкости между электродами.
Используя известное соотношение, которое определяет модуль емкостного сопротивления можно провести качественный анализ влияния емкостных составляющих и частоты на модуль полного сопротивления преобразователя.
При допущении, что активное сопротивление не зависит от частоты напряжения на электродах, легко заметить, что с возрастанием со относительное влияние емкости двойного слоя на модуль полного сопротивления уменьшается, а «конструктивной» емкости увеличивается. Можно показать, что относительное влияние емкости практически не зависит от формы электродов, их взаимного
расположения и расстояния между ними. Действительно, конструктивные изменения влияют практически в равной степени на активное сопротивление преобразователя и на значение емкости Степень же влияния емкости двойного слоя можно изменять конструктивными приемами. При увеличении площади электродов преобразователя возрастает емкость двойного слоя, а уменьшение площади эффективного сечения раствора, через который проходит ток, приводит к возрастанию активного сопротивления раствора. Относительное влияние емкости двойного слоя снижается по сравнению с преобразователем, у которого площадь электродов и эффективного сечения раствора одинаковы.
Для уменьшения влияния на точность измерения электропроводности растворов поляризации электродов применяют четырехэлектродные преобразователи, например, в кондуктометрических анализаторах для чистых водных растворов применяют преобразователи типов с диапазоном измерений . Два электрода этого преобразователя являются токовыми, питаемыми напряжением переменного тока через большое ограничивающее сопротивление, а два других, расположенных между ними, - потенциальными. В этом случае напряжение, измеряемое на потенциальных электродах, однозначно определяет концентрацию контролируемого раствора и не зависит от частичной поляризации токовых электродов.
Рис. 22-2-6. Принципиальная схема электродного преобразователя с температурной компенсацией.
Способы температурной компенсации и типовые измерительные схемы кондуктометрических анализаторов. Температурная компенсация осуществляется с помощью дополнительных элементов в цепи электродного преобразователя или в измерительной схеме кондуктометра жидкости, уменьшающих влияние отклонения температуры раствора от 20° С на показания прибора. Автоматическая температурная компенсация не исключает полностью влияния температуры раствора на показания прибора, что представляет большие трудности, но значительно его уменьшает.
Из числа применяемых способов автоматической температурной компенсации в кондуктометрах жидкости наиболее часто используется электродный преобразователь с температурной компенсацией, схема которого показана на рис. 22-2-6. Схема температурной компенсации электродного преобразователя образована параллельно и последовательно включенными с сопротивлением раствора резисторами Сопротивление раствора с резистором обладает отрицательным, а последовательно включенный резистор положительным температурным коэффициентом электрического сопротивления. Резистор изготовляют из манганиновой проволоки, а резистор из медной проволоки. Для изготовления резистора иногда применяют ннкелевую или платиновую проволоку. Резистор выполняемый аналогично с чувствительным элементом термометра сопротивления, помещают во внутренний
электрод преобразователя (рис. 22-2-2, а). Резистор включенный параллельно с сопротивлением раствора линеаризует зависимость а вместе с тем и уменьшает температурный коэффициент приведенного сопротивления Это создает более благоприятные условия для использования компенсирующего резистора
Рис. 22-2-7. Зависимость полного сопротивления цепи преобразователя от концентрации С для температур 18 и 35° С.
Расчет параметров схемы температурной компенсации обычно производится из условия полной температурной компенсации для двух заданных концентраций и определенных значений температур выбираемых с учетом возможных отклонений температуры раствора от этом случае измерения концентрации (электропроводности) необходимо производить в интервале от до так как погрешность при изменении температуры раствора за границами этого интервала может быть больше, чем внутри него (рис. 22-2-7).
Полное сопротивление цепи преобразователя относительно зажимов А к В (см. рис. 22-2-6) при концентрации раствора С и температуре его определяется выражением
Здесь, а также в последующих уравнениях, индексами указано, к какой концентрации раствора и температуре относятся рассматриваемые величины (сопротивление электрическая проводимость удельная электропроводность ). Условие полной температурной компенсации сводится к равенствам
В последних двух выражениях температурный коэффициент сопротивления меди, соответствующий 0° С При расчете параметров схемы температурной компенсации принимают для измерения электропроводности (солесодержания) водных растворов при малых концентрациях значения величин являются четвертым плечом моста); асинхронный реверсивный двигатель; синхронный двигатель. Резисторы выполнены из манганиновой проволоки. Резистор служит для установления необходимого диапазона изменения сопротивления при измерении электропроводности раствора от начального до конечного значения шкалы, что позволяет использовать без изменений реохорда и усилителя серийно выпускаемые автоматические уравновешенные мосты КСМ2.
Рис. 22-2-8. Принципиальная схема кондуктометра жидкости с использованием электродного преобразователя (рис. 22-2-2, 6).
Рассмотренная мостовая измерительная схема вторичного прибора кондуктометра жидкости может быть использована также для измерения электропроводности водных растворов электродным преобразователем с температурной компенсацией (см. рис. 22-2-6), если его присоединить к зажимам вместо преобразователя Кондуктометры жидкости с таким электродным преобразователем, изготовляемые Тулэнерго, применяют на ТЭС для измерения электропроводности химически обессоленной воды. В этих кондуктометрах жидкости используются электродные преобразователи с температурной компенсацией от 15 до 35° С проточного и погружного типов. Приборы имеют диапазон измерения удельной электропроводности от 0,04 до при 20° С.
Рассмотрим способ температурной компенсации с помощью терморезистора, включаемого в измерительную схему автоматического
уравновешенного моста кондуктометра жидкости (рис. 22-2-9). Здесь электродный преобразователь ЭП включен в измерительную мостовую схему вторичного прибора, так же как на рис. 22-2-8. При этом приведенное сопротивление преобразователя и терморезистор с шунтом включенным в смежные плечи моста, обладают отрицательным температурным коэффициентом сопротивления. Следует отметить, что для терморезистора зависимость так же как и для нелинейна
Рис. 22-2-9. Принципиальная схема кондуктометра жидкости с использованием терморезистора для температурной компенсации.
При измерении электропроводности терморезистор имеет ту же температуру, что и анализируемый раствор, так как он обычно монтируется внутри корпуса преобразователя. Точность температурной компенсации будет определяться степенью согласованности температурных коэффициентов терморезистора с шунтом и приведенного сопротивления преобразователя
Рассмотренная температурная компенсация с помощью терморезистора, включенного в измерительную мостовую схему, используется в применяемых кондуктометрических анализаторах жидкости.
Температурная компенсация может быть также осуществлена с помощью дополнительного электродного преобразователя, который заполнен водным раствором, имеющим температурный коэффициент сопротивления, близкий температурному коэффициенту анализируемого раствора . В этом случае рабочий и компенсирующий преобразователи включают в смежные плечи измерительной схемы моста. При этом компенсирующий преобразователь омывается снаружи анализируемым раствором и имеет с ним одинаковую температуру. Этот способ температурной компенсации не получил широкого распространения, так как свойства раствора в компенсационном преобразователе со временем изменяются.
Автоматические уравновешенные мосты, предназначенные для работы в комплекте с электродными преобразователями, могут быть снабжены дополнительным устройством для сигнализации (регулирования) предельных значений электропроводности водных растворов электролитов.
Кроме рассмотренных анализаторов жидкости с электродными преобразователями выпускаются кондуктометр ический анализатор
АК класса точности 5, разработанный СКБ АП, с выходным сигналом постоянного тока Этот кондуктометрический анализатор, снабжаемый фильтром, заполненным катионитом марки предназначен для измерения удельной электропроводности водных растворов при температуре 30-40° С и наличии в них минеральных примесей, аммиака и гидразина. В качестве вторичного прибора применяется автоматический миллиамперметр КСУ2 с диапазонами измерений
Электропроводность - это численное выражение способности водного раствора проводить электрический ток. Электрическая проводимость природной воды зависит в основном от концентрации растворенных минеральных солей и температуры. Природные воды представляют в основном растворы смесей сильных электролитов. Минеральную часть воды составляют ионы Na+, K+, Ca2+, Cl-, SO42-, HCO3-. Этими ионами и обуславливается электропроводность природных вод. Присутствие других ионов, например, Fe3+, Fe2+, Mn2+, Al3+, NO3-, HPO4-, H2PO4- не сильно влияет на электропроводность, если эти ионы не содержатся в воде в значительных количествах. На достоверность оценки содержания минеральных солей по удельной электропроводности в большой степени влияют температура и неодинаковая электропроводимость различных солей.Нормируемые величины минерализации приблизительно соответствуют удельной электропроводности 2 мСм/см (1000 мг/дм3) и 3 мСм/см (1500 мг/дм3) в случае как хлоридной (в пересчете на NaCl), так и карбонатной (в пересчете на CaCO3) минерализации.
"Значение S измеряется в Сименсах (См), миллиСименсах (мСм) или микроСименсах (мкСм), а λ - в мкСм/см (микроСименсы на сантиметр). Для приблизительной оценки минерализации можно придерживаться такого эмпирически найденного соотношения:
Содержание солей (мг/л) = 0.65 мкСм/
c
м
То есть, для определения содержания солей измеренную величину проводимости умножают на коэффициент 0,65.
Вообще-то величина этого коэффициента колеблется в зависимости от типа вод в диапазоне 0.55-0.75.
Растворы хлористого натрия проводят ток лучше:
Содержание NaCl (мг/л) = 0.53 мкСм/cм
или 1 мг/л NaCl обеспечивает электропроводность в 1.9 мкСм/cм. "
УДЕЛЬНАЯ ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬ ВОДЫ
– инструментально определяемая косвенная характеристика минерализации пресной воды (солености морской воды) (см. электропроводность воды). У.э.в. измеряется при помощи платиновых или стальных электродов, погружаемых в воду, через которые пропускается переменный ток частотой от 50 Гц (в маломинерализованной воде) до 2000 Гц и более (в соленой воде), путем измерения электрического сопротивления. Для исключения влияния температуры измерения производятся при постоянной температуре 15оС (в океанологии), 18оС (в России, но в некоторых зарубежных странах - при 20о или 25оС), либо приводятся к ней с использованием эмпирических формул. Расчет У.э.в. ведется по формуле k = C{K} T / R, где C - капацитет датчика прибора, зависящий от материала и размеров электродов и имеющий размерность см–1, определяется при тарировке прибора по растворам хлористого калия с известной величиной У.э.в.; K T - температурный коэффициент для приведения измеренной величины при любой температуре к принятому постоянному ее значению; R - измеренное электрическое сопротивление воды прибором, в Омах. У.э.в. соленой воды принято выражать в См/м (См - Сименс, величина, обратная Ому), пресной воды - в микросименсах (мкСм/см). У.э.в. дистиллированной воды равна 2-5 мкСм/см, атмосферных осадков - от 6 до 30 мкСм/см и более, в районах с сильно загрязненной воздушной средой, речных и пресных озерных вод 20-800 мкСм/см."
Способность одного кубического сантиметра вещества проводить определенный электрический заряд называется удельной электрической проводимостью, или удельной электропроводностью, этого вещества. Электропроводность - явление обратное электрическому сопротивлению и измеряется единицами, называемыми мо. (Это слово представляет собой обратное написание единицы сопротивления ом.) Поскольку мо - слишком большая единица для измерения
Электропроводности пресной воды и подземных вод, для этой цели используют миллионные доли мо, микромо.
Рис. 3.7. Диаграмма Стиффа для изображения состава воды в продольных координатах.
Оконтуренные площади помогают быстро сравнивать результаты анализов. На диаграмме а приведены результаты анализа, показанные на рис. 3.4, а.
Рис. 3.8. График с двумя координатными осями, показывающий общую минерализацию и содержание хлоридов в подземных водах. Представлены результаты 100 анализов, взятых из различных работ. Видно, что по мере увеличения минерализации большинства подземных вод содержание NaCl в них увеличивается.
Рис. 3.9. Трехлинейная диаграмма, предложенная Пайпером. Показана химическая характеристика морской воды (А) и питьевой подземной воды (В) в процент-эквивалентах. Результаты каждого анализа представлены тремя точками:
двумя на треугольных полях и одной на суммирующем поле-ромбе.
Удельная электрическая проводимость воды зависит от температуры, характера ионов и их концентрации (рис. 3.10). Обычно удельная электрическая проводимость воды дается для 25° С, так что она зависит только от концентрации и характера растворенных компонентов. Поскольку удельная электрическая проводимость измеряется очень быстро, по ней можно легко определить химический состав воды.
Среди распространенных типов природных вод при данной общей минерализации воды, содержащие бикарбонат и сульфат кальция, обычно имеют самую низкую проводимость, а воды, содержащие хлористый натрий, обладают наибольшей проводимостью. Общую минерализацию пресной воды в частях на миллион можно приблизительно определить, если величину ее удельной электрической проводимости в микромо умножить на 0,7. Однако наблюдается более точная зависимость между формой выражения минерализации воды в экв/млн и ее электропроводностью, выраженной в микромо. Для почти чистой воды, если разделить величину удельной электрической проводимости на 100, получим общую минерализацию воды в эквивалентах на 1 млн. с точностью до 5%. Для воды с минерализацией от 1 до 10 экв/млн точность полученной величины составляет около 15%. Логан считает, что обшая минерализация воды В, выраженная в эквивалентах на 1 млн., и ее удельная электрическая проводимость С связаны следующими эмпирическими зависимостями:
С = 100 В , (3.2)
Когда В
С= 12,27 + 86,38 В + 0,835 В
2
, (3.3)
Когда В = 1 - 3;
C = B(95,5-5,54 lg B) , (3.4)
Когда В = 3 - 10;
С = 90 В , (3.5)
Когда В > 10 с преобладанием аниона НСО - 3 ;
С = 123 В, 0,939 (3.6)
Когда В>10 с пресблгданием анисна Сl - ;
С = 101 В, 0,949 (3.7)
Когда В > 10 с преобладанием аниона SO 2- 4
Рис. 3.10. Удельная электрическая проводимость водных растворов различных соединений. Влияние температуры на удельную электрическую проводимость воды особенно видно на примере, содержания NaCl.
Поскольку сумма эквивалентов анионов обычно несколько отличается от суммы эквивалентов катионов, величина В принимается как средняя из этих сумм. Приведенные зависимости верны только для значений В менее 1000 экв/млн.
Чистая вода имеет удельную электрическую проводимость 0,055 микромо при 25° G, лабораторная дистиллированная вода - от 0,5 до 5, дождевая обычно - от 5 до 30, подземная вода, годная для питья,- от 30 до 2000, океаническая - от 45 000 до 55 000, рассолы нефтяных месторождений - более 100 000 микромо.
Электрические свойства воды .
вода состоит из трёх атомов,
молярная масса воды 18 10 -3 кг/моль,
входит в состав всех организмов,
занимает 71% поверхности планеты,
молекулы воды не образуют кристаллической решётки,
вода является наиболее часто применяемым растворителем.
Вода - самое распространенное на Земле вещество. Почти 3/4 поверхности земного шара покрыты водой, образующей реки и озера, океаны, моря. Много воды находится в газообразном состоянии в виде паров в атмосфере; в виде огромных масс снега и льда лежит она круглый год на вершинах высоких гор и в полярных странах.
В недрах земли также находится вода, пропитывающая почву и горные породы.
Природная вода не бывает совершенно чистой. Наиболее чистой является дождевая вода, но и она содержит незначительные количества различных примесей, которые захватывает из воздуха.
Количество примесей в пресных водах обычно лежит в пределах от 0,01 до 0,1%. Морская вода содержит 3,5% растворенных веществ, главную массу которых составляет хлорид натрия. Вода, содержащая большое количество солей кальция и магния, называется жесткой и в отличие от мягкой воды , к примеру, дождевой, жесткая вода дает мало пены с мылом, а на стенках котлов после кипячения образует накипь.
Водная среда включает поверхностные и подземные воды . Поверхностные воды в основном сосредоточены в океане, содержанием 1 млрд. 375 млн. км 3 - около 98 % всей воды на Земле. Поверхность океана (акватория) составляет 361 млн. квадратных километров. Она примерно в 2,4 раза больше площади суши территории, занимающей 149 млн. км 2 . Вода в океане соленая, причем большая ее часть (более 1 млрд. км 3) сохраняет постоянную соленость около 3,5 % и температуру, примерно равную 3,7 °С. Заметные различия в солености и температуре наблюдаются почти исключительно в поверхностном слое воды , а также в окраинных и особенно в средиземных морях. Содержание растворенного кислорода в воде существенно уменьшается на глубине 50-60 м.
Можно сказать, что все живое состоит из воды и органических веществ. Без воды человек, например, мог бы прожить не более 2-3 дней, без питательных же веществ он может жить несколько недель. Для обеспечения нормального существования человек должен вводить в организм воды примерно в 2 раза больше по весу, чем питательных веществ. Потеря организмом человека более 10 % воды может привести к смерти. В среднем в организме растений и животных содержится более 50 % воды , в теле медузы ее до 96, в водорослях 95...99, в спорах и семенах от 7 до 15 %, В почве находится не менее 20 % воды , в организме же человека вода составляет около 65 % (в теле новорожденного до 75, у взрослого 60 %). Разные части человеческого организма содержат неодинаковое количество воды : стекловидное тело глаза состоит из воды на 99 %, в крови ее содержится 83, в жировой ткани 29, в скелете 22 и даже в зубной эмали 0,2 %.
Молекула воды состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода. В составе обычной воды Н 2 О имеется небольшое количество тяжелой воды D 2 O и совсем небольшое количество сверхтяжелой воды Т 2 О. В молекулу тяжелой воды вместо обыкновенного водорода Н - протия – входит его тяжелый изотоп D - дейтерий, в состав молекулы сверхтяжелой воды входит еще более тяжелый изотоп водорода Т - тритий. В природной воде на 1 000 молекул Н 2 О приходится две молекулы D 2 O и на одну молекулу Т 2 О -1019 молекул Н 2 О.
Тяжелая вода D 2 O бесцветна, не имеет ни запаха, ни вкуса и живыми организмами не усваивается. Температура ее замерзания 3,8 °С, температура кипения 101,42 °С и температура наибольшей плотности 11,6 °С. По гигроскопичности тяжелая вода близка к серной кислоте. Ее плотность на 10 % больше плотности природной воды , а вязкость превышает вязкость природной воды на 20 %. Растворимость солей в тяжелой воде примерно на 10 % меньше, чем в обычной воде. Поскольку D 2 O испаряется медленнее легкой воды , в тропических морях и озерах ее больше, чем в водоемах полярных широт.
В природе существует шесть изотопов кислорода. Три из них радиоактивны. Стабильными изотопами являются О 16 , О 17 и О 18 . При испарении в водяной пар в основном переходит изотоп О 16 , неиспарившаяся же вода обогащается изотопами О 17 и О 18 . В водах морей и океанов отношение О 18 к О 16 больше, чем в водах рек. В раковинах животных тяжелые изотопы кислорода встречаются чаще, чем в воде. Содержание изотопа О 18 в атмосферном воздухе зависит от температуры. Чем выше температура воздуха, тем больше воды испаряется и тем большее количество O 18 переходит в атмосферу. В период оледенений планеты содержание изотопа О 18 в атмосфере было минимальным.
Всего можно получить 36 разновидностей воды . В природе чаще встречаются молекулы воды , построенные из наиболее распространенных изотопов. Молекул Н 2 О 16 в природной воде содержится 99,73 %, молекул Н 2 О 18 - 0,2 % и молекул Н 2 О 17 - 0,04 %.
При электролизе обычной воды , содержащей наряду с молекулами Н 2 О также небольшое количество молекул D 2 O, образованных тяжелым изотопом водорода, разложению подвергаются преимущественно молекулы Н 2 О. Поэтому при длительном электролизе воды остаток постепенно обогащается молекулами D 2 O. Из такого остатка после многократного повторения электролиза в 1933 г. впервые удалось выделить небольшое количество воды , состоящей почти на 100 % из молекул D 2 0 и получившей название тяжелой воды .
По своим свойствам тяжелая вода заметно отличается от обычной воды . Реакции с тяжелой водой протекают медленнее, чем с обычной. Тяжелую воду применяют в качестве замедлителя нейтронов в ядерных реакторах.
Зная физические свойства воды и льда, человек давно использует их в своей практической деятельности. Так, например, иногда применяется прокладка голых электрических проводов прямо по льду, так как электропроводность сухого льда и снега весьма мала. Она во много раз меньше электропроводности воды . Различные примеси оказывают большое влияние на электропроводность воды и почти не изменяют электропроводности льда. Электропроводность химически чистой воды обусловлена частичной диссоциацией молекулы воды на ионы Н + и ОН –. Основное значение для электропроводности и воды и льда имеют перемещения ионов Н + («протонные перескоки»). Электропроводность химически чистой воды при 18°С равна 3,8 -10 –8 Ом -1 см –1 а электропроводность морской воды около 5-10 –2 Ом -1 см –1 . Электропроводность пресной природной воды может быть 1 000 раз меньше, чем морской . Это объясняется тем, что в воде морей и океанов растворено большее количество солей, чем в речной воде.
Существенную характеристику электрических свойств вещества дает относительная диэлектрическая проницаемость. У воды она имеет величину в пределах 79. ..81, у льда 3,26, у водяного пара 1,00705.