Эи.Лпр4 – Электрохимические преобразователи

1. Назначение

Ознакомиться с видами электрохимических преобразователей, изучить устройство и принцип работы.

2. Краткие теоретические положения

В общем случае электрохимический преобразователь представ­ляет собой электролитическую ячейку, заполненную раствором с помещенными в нем двумя или несколькими электродами, служащими для включения преобразователя в измерительную цепь.

Как элемент электрической цепи электролитическая ячейка может характеризоваться развиваемой ею э. д. е., падением напряже­ния от проходящего тока, сопротивлением, емкостью и индуктив­ностью.

Выделяя зависимость между одним из этих электрических параметров и измеряемой неэлектрической величиной и подавляя действие других факторов, можно создать электрохимические преобразователи для измерения состава и концентрации жидких и газо­образных сред, давлений, перемещений, скоростей, ускорений и ряда других неэлектрических величин.

Электрические параметры ячейки зависят от природы и состава раствора и электродов, химических превращений в ячейке, температуры, скорости перемещения раствора и других величин. Связи между электрическими параметрами электрохимических преобра­зователей и указанными выше неэлектрическими величинами опре­деляются законами электрохимии. Некоторые положения ее приво­дятся ниже.

Растворы солей, кислот и оснований в воде и в ряде других растворителей обладают электропроводностью и называются проводни­ками второго рода. К проводникам второго рода относятся также многие твердые и расплавленные соли.

При растворении происходит диссоциация — расщепление молекул на положительные ионы (катионы) и отрицательные ионы (анионы). Вещества, расщепляющиеся при растворении на ионы и образующие поэтому электропроводящие растворы, называются электролитами.

Каждый ион в соответствии с его валентностью несет положительный или отрицательный заряд, равный или кратный заряду электрона. Под воздействием электрического поля катионы дви­жутся к отрицательному электроду (катоду), а анионы — к положительному электроду (аноду) и переносят электрические заряды.

Зависимость электропроводности растворов от концентрации.

Электропроводность чистой, тщательно дистиллированной воды близка к нулю и возрастает по мере повышения концентрации раство­ренных в ней веществ.

Растворы характеризуются весовой концентрацией р, измеряемой в граммах на литр, миллиграммах на литр или в миллиграммах на миллилитр, эквивалентной или молярной концентрацией с, измеряемой соответственно в грамм- эквивалентах (г-экв) или грамм- молекулах (г-моль) на литр, и химической активностью а.

Раствор с эквивалентной кон­центрацией 1 г-экв растворен­ного вещества на 1 л раствора называется нормальным раство­ром данного вещества.

Активность а равна произве­дению эквивалентной концентра­ции с на коэффициент актив­ности f, равный единице для растворов бесконечного разбав­ления и уменьшающийся по мере повышения концентрации, так как химическая активность растворенного вещества падает с ростом концентрации из-за уменьшения степени диссоциа­ции и подвижности ионов.

Удельная электропроводность раствора пропорциональна его эквивалентной химической активности:

Коэффициент λ называется эквивалентной электропроводностью. От весовой концентрации р или эквивалентной концентрации с удельная электропроводность зависит нелинейно. Как видно из рис. 4-1, полагать эту зависимость линейной или однозначной можно только в определенных пределах.

Зависимость проводимости электролитов от их концентрации позволяет использовать электролитическую ячейку в качестве измерительного преобразователя, естественной входной величиной ко­торого является значение химической активности а раствора, не имеющее в общем случае однозначной связи с концентрацией раствора. Выходной величиной преобразователя является электрическая проводимость между электродами.

Обстоятельство, заключающееся в том, что при электрических методах измерения химических величин (как будет показано далее, это относится не только к электропроводности) воспринимается не просто молярная концентрация вещества с, а его химическая активность а = fc, представляет собой большое преимущество этих ме­тодов, так как режим реальных химических технологических про­цессов наиболее точно характеризуется именно значением химиче­ской активности а.