Методы и аппаратура, применяе­мые для измерения электропроводности растворов электролитов

Электропровод­ность объема ионопроводящих систем рас­считывают по электрическому сопротив­лению, диэлектрической и магнитной про­ницаемости и другим физико-химическим характеристикам. Для этого используют измерительные приборы, питаемые током в широком диапазоне частот.

Для определения сопротивления растворов собирают из отдель­ных стандартных конструктивных элементов мост Уитстона, рабо­тающий на переменном токе, который называют мостом Кольрауша.

Измерительное устройство (рис. 13) состоит из замкнутых че­тырех ветвей сопротивлений R₁, R₂, R₃ и R_x. Источник питания пере­менного тока (на схеме обозначен знаком ∞) подключен к клеммам l и f. В каждой из ветвей моста возникает ток, величина которого зависит от сопротивления. Подбирая сопротивления R₁, R₂ и R₃ при постоянном сопротивлении объема испытуемого раствора элек­тролита R_x, помещенного в кондуктометрическую ячейку, добива­ются такого распределения токов в ветвях моста, при котором ток в измерительной вертикали bd упадет до нуля. Отсутствие тока в вертикали bd. возможно при равенстве потенциалов в точках b и d. Это означает, что должны быть равными падения потенциала в ветвях аb и аd. и соответственно bс и dс. Такое состояние моста называется балансом. Следовательно, баланс возможен, если со­блюдается равенство соотношений сопротивлений ветвей моста:

R₂/R₃ = R₁/Rx (1)

Разрешая уравнение (1) относительноR_x – искомого со­противления раствора электролита, получим

R_x = (R₂/ R₃) R₁

г

Рис. 13. Принципиальная схема

измерительного

моста Кольрауша.

деR₁ – плечо сравнения—известное сопротивление в магазине;

R₂, R₃ – постоянные сопротивления.

Клеммы ad и соединяют одинаковыми проводами (R₂ = R₃). К клеммам ab подключают магазин сопротивлений (R₁).

Магазин сопротивлений представляет набор сопротивлений, ко­торые подключают последовательно, чтобы ветвь моста имела не­обходимую величину сопротивления. Используют магазины сопро­тивлений со штепсельными или рычажными переключателями. Каж­дый рычажный переключатель обеспечивает подключение электри­ческих сопротивлений в пределах одной декады, т. е. набора из десяти сопротивлений. Максимальное сопротивление каждой последующей декады относится к максимальному сопротивлению предыдущей, как 10:1..

Сопротивление раствора электролита R_x измеряют непосредственным отсчетом величины ветви, равной набору в магазине сопротивлений R₁. При измерении подбирая сопротивление R₁, добиваясь баланса моста. Так как по условию опыта R₂ = R₃ то в соответствии с уравнением (1) R₁= R_x.

Источником питания моста служит индукционная катушка или ламповый звуковой генератор ГЗ-33, ЗГ-10 и др. с рабочей звуко­вой частотой от 300 до 5000 Гц. Обычно используют для работы ток частотой 1000 Гц. Выходное напряжение регулируют от 8 при малой до 30 В при большой концентрации раствора. Выход звукового генератора подключен к клеммам l и f (см. рис. 13). Нуль-ин­струментом Г является прибор, при помощи которого отмечают момент баланса моста. Для этого используют стрелочный гальва­нометр переменного тока (или постоянного тока с выпрямителем), низкоомный телефон или осциллографический индикатор и др. Полному балансу моста при работе с осциллографом должна соответствовать прямая линия на экране электроннолучевой трубки, которая сливается с линией горизон­тальной развертки. Когда мост разбалансирован, на экране вычер­чивается светящаяся синусоида (эллипс). При уравновешивании моста ось эллипса поворачивается и стягивается в прямую линию, сливающуюся с горизонтальной осью трубки. Полной балансировки моста, чтобы ток в вертикали bd равнялся нулю, добиться невоз­можно. Дело в том, что балансирующие элементы компенсируют только омическую — активную составляющую полного сопротивле­ния, в то время как токи в ветвях реального моста, питаемого пере­менным током, зависят и от реактивных составляющих: емкостных и индуктивных. Реактивные составляющие сопротивления по воз­можности следует устранять заземлением ветвей моста и индика­тора нуля, включением в плечо моста параллельно сопротивлению магазина емкости.

Поэтому момент баланса определяют по минимальному откло­нению стрелки гальванометра, минимуму звука в телефоне, фикси­рующем минимальный ток, или по минимальной амплитуде сину­соиды на экране электроннолучевой трубки. К «равновесной» точке подходят уменьше­нием и увеличением сопротивления в магазине сопротивления.

Провода, соединяющие все ветви схемы, для уменьшения реак­тивного сопротивления должны быть по возможности прямыми, от­носительно большого сечения и короткими. Перед соединением окислившиеся концы проводов и зажимы тщательно зачищают наждачной бумагой, где возможно, припаивают. До подключения собранного моста к источнику питания проверяют правильность соединений ветвей схемы и контакты проводов с зажимами.

Электролитическая ячейка представляет собой сосуд, изго­товленный из малорастворимого стекла типа «пирекс», в кото­рый с помощью платиновых стержней впаяны электроды из ли­стовой платины. Расстояние между электродами жестко фикси­ровано и не изменяется во время эксплуатации. Для предотвра­щения насыщения измеряемого раствора углекислым газом из воздуха сосуд снабжен притертой пробкой. Конструкция элек­тролитической ячейки позволяет помещать ее в термостат, при этом шарообразная форма сосуда для раствора электролита создает наилучшие условия для теплообмена с окружающей средой.

Точность определения электропроводности зависит от состоя­ния поверхности электродов. Для получения хороших результа­тов электроды платинируются. Платинирование электродов осу­ществляется лаборантом.