رسانایی الكتریكی محلول ها و قدرت اسیدی (رسانای الکترونی و رسانای یونی)
رسانای الکتریکی محلول ها مبحثی است که به هدایت الکتریسیته از میان محلول الکترولیتی می پردازد. هدایت الکتریکی بر اساس جریان الکترون ها است.
رسانای الکتریکی به موادی گفته می شود که جریان الکتریکی را به خوبی از خود هدایت می کنند. دلیل اصلی رسانایی برخی مواد این است که الکترون های آنها می توانند از اتم خارج شده و به حرکت دربیایند.
هدایت الکتریکی بر اساس جریان الکترون است. برخی ازعناصر جدول تناوبی مانند فلزات که فلزات قلیایی و فلزات قلیایی خاکی زیر مجموعه آن است، به دلیل رسانایی خوب الکترون ها، به عنوان هادی الکتریسیته شناخته می شوند. دراین مقاله از نشریه علمی جهان شیمی فیزیک به بررسی رسانایی الکتریکی محلول ها و قدرت اسیدی آن ها می پردازیم.
تعریف رسانایی از دیدگاه جریان الکتریکی
به اجسامی که جریان الکتریکی را بدون اتلاف از خود عبور می دهند، به عنوان رسانای الکتریسیته شناخته می شوند. افرادی که عمدتاً با لوازم برقی کار می کنند از وسایلی استفاده می کنند که در حین کاردچار برق گرفتگی نشوند. به عنوان مثال، کفش های مخصوص پوشیده و مشغول کار می شوند. یعنی چون بدن انسان رسانا است، باید کفش یا دستکش مخصوص بپوشند تا جریان الکتریسیته از بدن انسان به زمین منتقل نشود.دسته فازمتر از جنس عایق است و بنابراین از آن، بدون هیچ مشکلی می توان از وجود یا عدم وجود جریان برق استفاده کرد.در بسیاری از این موارد، باید اطلاع داشته باشیم که کدام اجسام دارای قابلیت انتقال الکتریسیته هستند و کدام مواد قابلیت انتقال الکتریسیته را ندارند. دسته اول اجسام رسانا واجسام دسته دوم را عایق یا نارسانا می نامند.
تعریف رسانایی الکترونی و رسانای یونی
برای دانستن علت رسانش، ساختار مواد رسانا را می توان بررسی کرد. بسیاری از معروف ترین مواد رسانا فلزات هستند. ویژگی اصلی فلزات از نظر خواص الکتریکی این است که این مواد دارای الکترون آزاد هستند. این الکترون ها به عنوان حاملین الکترون شناخته می شوند. هنگامی که اتم‌های منفرد با هم ترکیب می‌شوند و یک جامد فلزی تشکیل می‌دهند، الکترون‌های لایه بیرونی اتم مقید به اتم های منفرد باقی نمی مانند، بلکه آزادانه در سراسر حجم جسم حرکت می‌کنند.
هنگامی که بار بر روی جسمی جابه جا می شود، گفته می شود که از جسم جریان الکتریکی عبور می کند. بنابراین اگر فلزی را در مسیر جریان الکتریکی قرار دهید،این جریان توسط الکترون‌های آزاد منتقل می‌شود و بنابراین رسانایی بیشتر بستگی به حاملین بار و سرعت آن ها دارد.
هدایت الکتریکی به عوامل زیر بستگی دارد: – ۱ماهیت و ساختار فلز ۲-تعدادالکترون ظرفیتی در اتم
البته رساناهای مختلفی به جز فلزات وجود دارند مانند محلول های آبی نمک ها و اسیدها و بسیاری از اجسام رسانای دیگر، که در این مواد رسانایی به شیوه یونی انجام می شود.
واحد اندازه گیری رسانش
واحد رسانایی در SI زیمنس است که با علامت s نشان داده می شود که برابر با عکس آُهم ( ohm-۱ ) است. دقیقاً نقطه مقابل مقاومت به عنوان رسانایی یا رسانندگی شناخته می شود. هدایت الکتریسیته از میان فلزات را هدایت الکتریکی یا رسانایی فلزی می نامند که در اثر حرکت الکترون ها ایجاد می شود.
رسانایی الكتریكی محلول ها (الکترولیت) معیاری برای توانایی عبور الکتریسیته است و در SI واحد “زیمنس بر متر” ( (s/mاست. اندازه گیری هدایت الکتریکی به طور گسترده در صنعت ومحیط زیست به عنوان یک روش ارزان و قابل اعتماد برای اندازه گیری مقدار یون ها درمحلول استفاده می شود.به عنوان مثال، اندازه گیری هدایت الکتریکی و کنترل آن روشی بسیار رایج در تصفیه آب برای مصارف خانگی و تجاری است.
در بسیاری از موارد هدایت الکتریکی به طور مستقیم با “کل مواد جامد محلول” مرتبط است. هدایت الکتریکی آب یونیزه شده در دمای ۲۵ درجه معمولاً حدود μS/m ۵.۵است. این مقدار برای آب آشامیدنی بین mS/m 5 تا ۵۰ در نظر گرفته شده است.
قدرت اسیدی و رسانایی الکترونیکی
اسید یا بازی که به طور قوی الکتریسیته را هدایت می کند حاوی مقادیر زیادی یون است و به عنوان اسید یا باز قوی شناخته می شود.
قدرت پیوندی: قدرت پیوندی اسیدها و بازها بر اساس مقادیر نسبی یونها یا مولکولهای آنها در محلول تعیین می شود. پیوندها به به صورت زیر نمایش داده می شود :
باز اسید
H-A M-OH
که A یون منفی است و m یون مثبت است. اسیدهای قوی دارای یونهای زیادی در محلول هستند. در نتیجه، پیوندهایی که H و A را را به هم متصل نگه میدارند، باید ضعیف باشند. یعنی اسیدهای قوی به راحتی به یون های سازنده خود تجزیه می شوند.
اسیدهای ضعیف بیشتر در محلول مولکولی آزاد می کنند و تعداد یون آن ها در محلول کمتر است. در نتیجه، پیوندهای نگهداری H و A باید قوی باشند. اسیدهای ضعیف را نمی توان به راحتی به یون های خود تجزیه کرد، اما مولکول های آنها به یکدیگر متصل می مانند.
اندازه گیری رسانایی الكتریكی محلول ها
اندازه گیری دقیق هدایت الکتریکی، در بسیاری از زمینه ها، مورد استفاده قرار می گیرد. یکی از کاربردهای آن، اندازه گیری خلوص آب است. رسانایی الکتریکی محلول الکترولیت با اندازه گیری مقاومت محلول بین دو الکترود تیغه یا استوانه اندازه گیری می شود. در نظر داشته باشید که این دو الکترود در فاصله مشخص از یکدیگر قرار می گیرند. برای جلوگیری از پدیده الکترولیز (الکترولیز)، از ولتاژ متناوب در دستگاه استفاده می شود.مقاومت مورد نظر را می توان با استفاده از (رسانا سنج) محاسبه کرد.
دستگاه های مختلفی برای این کار وجود دارد. دو نوع اصلی اندازه‌گیری هدایت الکتریکی الکترولیت‌ها، مدل الکترودی و مدل القایی هستند. بسیاری از دستگاه های جدیدتر اصلاحات دما را به صورت خودکار انجام می دهند.
توضیح دقیق‌تر اندازه گیری رسانایی الكتریكی محلول ها
در یک سیم فلزی، الکترون ذرات بارداری هستند که درطول سیم حرکت می کند. در محلول ها ، یون ها این کار را انجام می دهند. علاوه بر این، شدت جریان در یک الکترولیت به موارد زیر بستگی دارد:
ماهیت یون ها: بار، اندازه و قابلیت حرکت آن ها
ماهیت حلال:ثابت دی الکتریک و ویسکوزیته
- غلظت یون ها
- دما
به طور کلی هرچه تعداد یون ها بیشتر است. رسانایی آن بیشتر می شود. هم چنین هدایت الکتریکی نیز تا یک میزان بیشینه ، با افزایش غلظت، زیاد می شود، بعد از این مقدار،رسانایی با افزایش غلظت کاهش می یابد.
نحوه انتقال، خلوص و پایداری یک محلول در اندازه گیری این کمیت موثر است. آلودگی، جذب دی اکسید کربن و خارج شدن گاز از محلول باعث ایجاد خطا در اندازه گیری هدایت الکتریکی می شود.
غلظت و کل مواد جامد محلول
ارتباط بین رسانایی الكتریكی محلول ها (هدایت الکتریکی) و تعداد یونها درمحلول، به ما کمک می کند تا غلظت را اندازه‌گیری کنیم و از این طریق می توان مقدار «کل مواد جامد محلول» (tds) را بتوان به دست آورد.
غلظت
برخی از مواد مانند NaCl و HCl به خوبی توسط آب یونیزه می شوند. در نتیجه محلول به دست آمده از این مواد رسانایی بالایی دارد. اسیدها، بازها و نمک ها هر کدام دارای نمودار مشخصه ای برای ارزیابی رسانایی الكتریكی محلول ها بر غلظت دارند. به همین دلیل محلول هایی با اجزا و غلظت معین نیاز به اصلاح در محاسبات دارند.
فرضیات زیادی هنگام محاسبه tds محلول از روی هدایت الکتریکی وجود دارد. در هنگام محاسبه هدایت الکتریکی tds محلول از یک ضریب تبدیل وجود دارد . این ضریب تبدیل نیاز به تصحیح دارد و مطابق با ماهیت محلول متغییر است.
Tds مجموع یون هایی با طول بسیار کمتر از ۲ میکرون است. در آب تصفیه شده مقدار tds برابر با میزان شوری است (به یون های نمک موجود در آب توجه کنید). در آب های آلوده، این مقدار می تواند شامل ذرات آلوده محلول مانند هیدروکربن ها و اوره نیز است. واحد اندازه گیری برای جامدات محلول TDS، mg/L است
هدایت الکتریکی و دما
هدایت الکتریکی با افزایش دما افزایش می یابد. این رشد رسانایی حدود ۱ تا ۵.۱ افزایش می یابد. برای هر درجه سانتیگراد افزایش می یابد. در نتیجه، اعمال اصلاحات دما در محاسبات هدایت الکتریکی ضروری است.
دسته‌بندی الکترولیت‌های قوی و ضعیف
الکترولیت‌های قوی، ضعیف و غیر الکترولیت‌ها به ترتیب در جداول پایین آورده شده اند.
الکترولیت‌های قوی
| اسید قوی | باز قوی | نمک‌های محلول |
| HCl | NaOH | NaCl |
| HBr | KOH | K2CO3 |
| HI | Ca(OH)2 | CuSO4 |
| HNO3 | Ba(OH)2 | |
| H2SO4 | ||
| HClO4 | ||
| HClO3 |
الکترولیت‌های ضعیف
| اسید ضعیف | باز ضعیف | نمک‌های کم محلول |
| CH3COOH | NH3 | AgCl |
| H2CO3 | NH4OH | CaCO3 |
| C6H8O7 | Mg(OH)2 | BaSO4 |
| H3PO4 |
غیر الکترولیت‌ها
آب مقطر و اتانول در گروه غیر الکترولیت‌ها قرار دارند.
رسانایی الکتریکی محلول ها شیمی دوازدهم
اندازه گیری رسانایی را می توان به قرن نوزدهم نسبت داد زمانی که دانشمندان شروع به کشف خواص الکتریکی محلول‌ها کردند. آزمایش های اولیه توسط محققانی مانند مایکل فارادی، پایه و اساس درک رسانایی الکترولیت ها را پایه گذاری کرد. توسعه تکنیک های اندازه گیری رسانایی در قرن بیستم با ظهور ابزارها و روش های دقیق تر به طور قابل توجهی پیشرفت کرد. این پیشرفت باعث شد که رسانایی به یک تکنیک تحلیلی گسترده تبدیل شود که در کاربردهای مختلف علمی، صنعتی و محیطی مورد استفاده قرار می گیرد.
به عنوان مثال، در تولید دارو، قرائت دقیق رسانایی برای تضمین قوام فرمولاسیون دارو ضروری است. اندازه گیری رسانایی همچنین نقشی حیاتی در پایش محیطی ایفا می‌کند و به ارزیابی کیفیت آب و شناسایی آلاینده ها کمک می کند. ثابت شده است که ارزیابی رسانایی الکتریکی در محلول ها یکی از مؤثرترین روش ها برای مطالعه برهمکنش های یون-یون، یون-حلال و حلال-حلال است که پاسخ های بسیاری از سؤالات دانشمندان یا تولیدکنندگان را در مورد راه حل های خود آشکار می‌کند. علاوه بر این، یک پارامتر حیاتی در تحقیق و توسعه است که به دانشمندان در درک و بهینه سازی فرآیندهای شیمیایی، به ویژه آنهایی که شامل گونه های یونی یا انواع آب هستند، کمک می کند.
بافرها، معرف ها و رسانه ها اجزای جدایی ناپذیر بسیاری از فرآیندهای علمی و صنعتی هستند. ترکیبات شیمیایی خاص و رسانایی فردی آنها می تواند به طور قابل توجهی بر رسانایی محلول هایی که در آنها ترکیب می شوند تأثیر بگذارد. این به دلیل افزایش غلظت یونی است که معرف ها ممکن است به واکنش کلی وارد کنند و می تواند منجر به نتایج کج و غیر تکرار شونده شود. به عنوان مثال، در بیوتکنولوژی و داروسازی، از بافرها برای حفظ سطح pH و تثبیت واکنش‌ها استفاده می‌شود و در شرایط هدایت نادرست مشخصات، نمی‌توانند به درستی عمل کنند.
