هدایت الکتریکی بر مبنای جریان الکترون‌ها بنا شده است. از میان عنصرهای جدول تناوبی، فلزات که در میان آنها فلزات قلیایی و قلیایی خاکی نیز وجود دارند، به دلیل گذردهی خوب الکترون‌ها از میان خود، به عنوان هادی خوب الکتریسیته شناخته می‌شوند. در مقابل، آب مقطر به دلیل قدرت کم در عبور دادن الکترون‌ها، هادی ضعیف الکتریسته به حساب می‌آید. موادی که به شدت یونیزه شده باشند، الکترولیت‌هایی قوی هستند. اسیدهای قوی و نمک‌ها نوعی از الکترولیت قوی محسوب می‌شوند چراکه به طور کامل در محلول یونیزه و سبب حمل بار الکتریکی در محلول و در نتیجه ایجاد جریان الکتریکی می‌شوند. موادی که به طور کامل یونیزه نشوند، در دسته‌بندی الکترولیت‌های ضعیف جای میگیرند. اسید و بازهای ضعیف جزو این گروه هستند زیرا در محلول‌ها به طور کامل یونیزه نمی‌شوند.
هدایت الکتریکی یک الکترولیت معیاری برای قابلیت گذردهی الکتریسیته و واحد آن در SI، «زیمنس بر متر» S/mاست. اندازه‌گیری هدایت الکتریکی در صنعت و محیط زیست به عنوان یک روش ارزان و قابل اعتماد برای بررسی میزان یون موجود در یک محلول، به طور گسترده مورد استفاده قرار میگیرد. به طور مثال، اندازه‌گیری هدایت الکتریکی و کنترل آن، از روش‌های معمول در تصفیه آب برای مصارف خانگی و صنعتی است.
در بسیاری از موارد، هدایت الکتریکی به طور مستقیم با «کل مواد جامد محلول» (Total Dissolved Solids) مرتبط می‌شود. هدایت الکتریکی آب دیونیزه (یون‌زدوده) باکیفیت، معمولا در حدود ۵.۵ μS/m5.5 در دمای ۲۵ درجه سانتیگراد است. این مقدار برای آب آشامیدنی بین ۵ تا ۵۰ ۵.۵ mS/m5.5 و برای آب دریا در حدود ۵۰۰۰۰۰۰ μS/m5000000 در نظر گرفته می‌شود. هدایت الکتریکی در گذشته از طریق اتصال الکترولیت به یک مدار پل وتسون اندازه‌گیری می‌شد. محلول‌های رقیق از قانون «کولراش» (Kohlrausch) در رابطه با هدایت الکتریکی تبعیت می‌کنند.
واحد اندازه گیری
همانطور که گفته شد، واحد اندازه‌گیری هدایت الکتریکی الکترولیت‌ها در SI، S/m است که در دمای ۲۵ درجه سانتیگراد تعریف می‌شود. البته در صنعت، مقدار μS/m بدین منظور کاربرد دارد.
سلول استاندارد استفاده شده در این فرآیند با عرض ۱ سانتیمتر و برای آب خالصِ در تعادل با هوا، مقاومتی در حدود ۱۰۶ اهم دارد. این مقدار به عنوان یک مگا اهم در نظر گرفته می‌شود. برای «آب فرا خالص» (Ultra- Pure Water) این مقدار در حدود ۱۸ مگا اهم یا بیشتر است.
تبدیل هدایت الکتریکی به TDS، به نوع ترکیب شیمیایی نمونه بستگی دارد و میتواند از ۰/۵۴ تا ۰/۹۶ متغیر باشد. این مقدار با در نظر گرفتن سدیم کلرید به عنوان جامد، ۰/۶۴ در نظر گرفته می‌شود. به بیان بهتر، عدد ۱μS/m1 معادل با ۰/۶۴ میلی‌گرم NaCl در هر کیلوگرم از آب است
تفاوت مقاومت الکتریکی با هدایت الکتریکی
همانطور که بیان شد، رسانندگی ویژه الکتریکی بر اساس توانایی مواد در هدایت و انتقال جریان الکتریسیته در محدوده معینی تعریف می شود. به عبارت دیگر، هدایت الکتریکی بر اساس رسانایی (توانایی یک ماده در انتقال جریان) می باشد. در حالیکه، مقاومت الکتریکی (Electrical resistivity) نشان دهنده میزان مقاومت ماده مورد نظر در برابر عبور جریان الکتریسیته در محدوده معین است. مقاومت یک جزء به پارامتر های مختلفی مانند طول رسانا، مساحت هادی و مواد هادی بستگی دارد. کمیت مقاومت الکتریکی با حرف یونانی رُ (rho) یا ρ نشان داده می شود. واحد آن در سیستم بین المللی SI بر حسب اهم (Ω) در متر (Ω⋅m) است. هدایت و مقاومت الکتریکی هر دو در حقیقت واحد های قابل تبدیل به همدیگر می باشند. به بیان دیگر، کمیت هدایت الکتریکی برعکس کمیت مقاومت الکتریکی است .
مواد الکترولیت و غیر الکترولیت
به طور کلی به مواد شیمیایی که در محیط آبی، یون تولید می کنند، الکترولیت می گویند. از طرفی دیگر، به موادی که در آب هیچ یونی تولید نمی کنند، غیر الکترولیت گفته می شود. بدین ترتیب، محلول مواد الکترولیت در آب را محلول الکترولیت و همچنین محلول مواد غیر الکترولیت در آب را محلول غیر الکترولیت می نامند. دقت داشته باشید که محلول یک ماده در آب در صورتی هادی خوبی برای جریان الکتریسیته خواهد بود که دو ویژگی زیر را داشته باشد:
- به میزان زیادی در آب حل شود.
- بخش عمده ای از ماده حل شده بتواند به یون تبدیل گردد.
به بیان دیگر، یونیزه شدن بهتر یک الکترولیت باعث افزایش هدایت الکتریکی خواهد شد. زیرا همانطور که می دانید، عامل تاثیر گذار در هدایت الکتریکی محلول ها، وجود یون ها می باشد. زیرا انتقال بار الکتریکی (هدایت الکتریکی) از طریق یون ها در الکترولیت انجام می شود. با توجه به تعریف مشخص می شود که موادی که به شدت یونیزه شوند، الکترولیت هایی قوی (اسید های قوی و نمک ها) خواهند بود. به همین ترتیب می توان گفت که موادی که در آب به طور کامل یونیزه نمی شوند، در دسته الکترولیت های ضعیف (اسید و بازهای ضعیف) قرار می گیرند.
عوامل موثر در هدایت الکتریکی یک الکترولیت
پارامتر های موثر در هدایت الکتریکی یک الکترولیت عبارتند از: درجه یونیزاسیون الکترولیت، سرعت مهاجرت یون های مختلف، دمای الکترولیت و غلظت الکترولیت. درجه یونیزاسیون اسید های قوی، باز های قوی و بعضی نمک ها بالا می باشد. جالب است بدانید که سرعت مهاجرت یون های پروتون و هیدروکسید بسیار بالا است، پس به همین دلیل اسید ها و باز هایی که در آب به خوبی یونیزه می شوند رسانندگی ویژه الکتریکی بالایی را نشان می دهند.
دمای الکترولیت نیز از عوامل موثر در هدایت الکتریکی است. زیرا در اثر افزایش دما در یک پتانسیل مشخص، اتم ها، مولکول ها و یون های محلول، تحرک بیشتری خواهند داشت که در نهایت باعث افزایش هدایت الکتریکی محلول می شود. علاوه بر موارد گفته شده، غلظت محلول نیز در رسانندگی ویژه الکتریکی موثر است. در واقع، با افزایش غلظت محلول به دلیل افزایش تعداد یون ها، هدایت الکتریکی نیز افزایش می یابد. اما دقت داشته باشید که با افزایش غلظت، درجه یونیزاسیون کاهش پیدا می کند. بنابراین اگر منحنی رسانندگی ویژه الکتریکی بر حسب غلظت محلول را رسم کنید، در ابتدا افزایش هدایت بر اثر افزایش غلظت محلول مشاهده می شود. زمانیکه تعداد یون های محلول مورد نظر به ماکزیمم مقدار خود برسد، با افزایش بیشتر غلظت محلول، هدایت الکتریکی کاهش می یابد.
دسته بندی مواد الکترولیت قوی، الکترولیت ضعیف و غیر الکترولیت
به عنوان نمونه می توان به محلول نمک کلرید سدیم در آب اشاره کرد. این محلول در واقع یک الکترولیت قوی محسوب می شود. زیرا اولا به میزان زیادی در آب حل می گردد. ثانیا، تفکیک یونی آن در آب کامل می باشد. حالا محلول اتانول در آب را در نظر بگیرید. با وجود اینکه اتانول به مقدار قابل توجهی در آب حل می شود، اما انحلال اتانول به شکل مولکولی است. بنابراین هیچ یونی تولید نمی شود و محلول نهایی غیر الکترولیت است. بنابراین می توان گفت که موادی به شکل مولکولی در آب حل می شوند (مانند الکل ها و قند ها) در دسته غیر الکترولیت ها قرار می گیرند.
از طرف دیگر، محلول آمونیاک در آب یک الکترولیت ضعیف محسوب می شود. زیرا با این وجود که مقدار انحلال پذیری آن در آب نسبتا بالاست، اما تفکیک یونی آن پایین می باشد. به عبارت دیگر، تعداد کمی از مولکول های آمونیاک محلول در آب به یون تبدیل می گردند. یا مثلا محلول باریم سولفات (BaSO۴) در آب نیز یک الکترولیت ضعیف می باشد. تفکیک یونی آن در آب کامل است، اما میزان انحلال پذیری بسیار کمی در آب دارد.
الکترولیت های قوی
از نظر دسته بندی محلول ها در رابطه با رسانندگی ویژه الکتریکی آنها می توان اینطور بیان کرد که بیشترین هدایت الکتریکی را اسید هایی با درجه یونیزاسیون بالا نشان می دهند. زیرا اسید های قوی، یون پروتون (+H) ایجاد می کنند که تحرک بالایی دارد. در جایگاه دوم، باز هایی همچون هیدروکسید سدیم یا هیدروکسید پتاسیم قرار می گیرند. این بازهای قوی، یون هیدروکسید (–OH) ایجاد می کنند که از تحرک بالایی برخوردار است.
درباره محلول های حاوی نمک ها باید توجه داشت که هدایت الکتریکی آنها به درجه یونیزاسیون و تحرک یون های مربوطه بستگی دارد. احتمال دارد که بسیاری از محلول های نمکی به صورت قوی یونیزه شوند، در حالیکه تحرک یون های آنها پایین باشد. در این صورت رسانندگی ویژه الکتریکی کمی دارند. همچنین ممکن است حالت بر عکس آن وجود داشته باشد. در این حالت، تفکیک یونی محلول نمکی در آب کامل است، اما از طرف دیگر، میزان انحلال پذیری بسیار پایینی در آب دارد. به عنوان مثال، محلول های زیر هادی خوبی برای جریان الکتریسیته محسوب می شوند:
– اسید های قوی مانند HCl ،HBr ،HI ،HCIO۴ ،H۲SO۴ و HNO۳
– باز های قوی مانند NaOH ،LiOH ،KOH ،RbOH ،CsOH و Ba(OH)۲
– نمک های محلول مانند CaCl ،KBr ،NaCl ،ZnCl۲ و Na۲SO۴
اندازه گیری هدایت الکتریکی در الکترولیت
اندازه گیری رسانندگی ویژه الکتریکی در صنعت و همچنین محیط زیست، یک روش ارزان قیمت و قابل اعتماد به منظور بررسی مقدار یون های موجود در یک محلول محسوب می شود. این کمیت در یک محلول الکترولیتی از طریق اندازه گیری مقاومت محلول میان دو الکترود تیغه ای یا استوانه ای بدست می آید. هر دستگاه هدایت سنج (Electric meter)، EC متر (EC meter) یا کنداکتیومتر، دو الکترود یکسان فلزی پلاتینه شده دارد. این دو الکترود در فاصله معینی از یکدیگر و در یک محفظه شیشه ای (از جنس پیرکس یا شیشه مقاوم دیگر)، موازی هم قرار گرفته اند.
مجموعه این دو الکترود در محفظه شیشه ای، پیل کنداکتومتر نامیده می شود. به منظور اندازه گیری هدایت الکتریکی یک محلول، پیل کنداکتومتر را در محلول مورد نظر قرار می دهند. دستگاه هدایت سنج با فرستادن ولتاژ مناسب بین دو الکترود، هدایت محلول مورد نظر را نشان می دهد. لازم به ذکر است که جهت جلوگیری از بروز پدیده الکترولیز یا همان برقکافت، باید از ولتاژ متناوب با فرکانس زیاد (۶۰ تا ۱۰۰۰ هرتز) در دستگاه استفاده کرد.
امروزه دستگاه های هدایت سنج متنوعی (قلمی یا جیبی، رومیزی و پرتابل) برای محاسبه رسانندگی ویژه الکتریکی وجود دارند. دو نوع اصلی جهت این امر، مدل های الکترودی و یا القایی است. توجه داشته باشید که در بسیاری از دستگاه های کنداکتیومتر جدید، تصحیحات مربوط به دما به صورت خودکار انجام می شود.
هدایت الکتریکی در چه صنایعی بیشتر استفاده می‌شود؟
پس از اشاره مختصر به مفاهیم هدایت الکتریکی ، اینک اشاره ای کوتاه به کاربردهای اساسی آن در صنایع مختلف خواهیم داشت.
هدایت الکتریکی در بخش کشاورزی
اندازه گیری پارامتر EC خاک نقش مهم و اساسی در سلامت و رشد غلات دارد. کشاورزان و صاحبان مزارع بیشتر اوقات به اندازه گیری میزان مقادیر فسفاتها، نیتراتها، پتاسیم و کلسیم در خاک می پردازند و بر روی میزان مقادیر این پارامترها حساس هستند چرا که ابن عناصر نقش مهمی در حیات گیاهان دارند. با اندازه گیری منظم هدایت الکتریکی خاک، میزان کمینه یا بیشینه مواد مغذی موجود در آن که برای رشد و نمو گیاهان لازم است نیز معین می گردد تا کمبودهای احتمالی خاک از مواد فوق تامین گردد. اندازه گیری های فوق در درازمدت به لحاظ اقتصادی به نفع کشاورزان است چون محصولی با کیفیت و سالم را به بار می آورد و همچنین موجب بهره وری بیشتر یعنی محصولی بیشتر در مقدار مشخصی از مساحت زمین خواهد شد.
هدایت الکتریکی در بهبود کیفیت آب
هدایت الکتریکی نقش مهمی در کاربردهای کیفی آبهای مختلف دارد. در تصفیه خانه های فاضلاب هدایت الکتریکی آب خروجی مورد اندازه گیری قرار میگیرد تا این اطمینان حاصل شود که شوری آب خروجی در مقایسه با آب های جاری متناسب هست یا خیر تا باعث آلودگی های محیطی نگردد. در صورت، عدم تعادل (یعنی میزان نمکهای بسیار بالا یا کم) بین میزان شوری این دو نوع آب باعث صدمات جبران ناپذیری به حیات گونه های آبزی موجود در آن محیط می شود.اندازه گیری منظم هدایت الکتریکی و دانستن میزان قابل قبول این مقادیر در آبهای جاری نقش اساسی در حفظ اکوسیستم سالم در اقیانوس ها و سایر آبهای روان دارد.
هدایت الکتریکی و آبکاری
میزان هدایت الکتریکی در حمام و یا استخر های آبکاری نیز تاثیر گذار است. استفاده از این کمیت در صنایعی مانند هوا فضا، اتومبیل سازی و جواهر سازی رایج است. اغلب وان های آبکشی فلزات رنگ شده مورد استفاده قرار میگیرند تا بقایای شیمیایی موجود در سطوح رنگ شده را تمیز نماید. در این نوع آبکشی با جریان معکوس آب تولیدی به عنوان پس آب (Waste Water) به حداقل خواهد رسید. از سوی دیگر با اندازه گیری هدایت الکتریکی میتوان مشخص کرد که آیا به آب تمیز بیشتری جهت ورود به حمام آبکاری نیاز است یا خیر. هدایت الکتریکی استفاده مفید دیگری در صنایع دارد که تعیین میزان مواد جامد محلول و شوری از آن جمله هستند.
اندازه گیری مواد جامد محلول
اندازه گیری مواد جامد محلول یا TDS برای تعیین میزان محتوای مواد جامد درون محلول ها بکار می روند. از EC جهت اندازه گیری میزان مواد جامد محلول، استفاده می شود. پیش فرض این اندازه گیری بر این موارد است که
۱- ماهیت این مواد جامد محلول بصورت یون است
۲- رابطه بین این یونها و EC مشخص است
واحدهای اندازه گیری TDS میلی گرم (PPM) بر لیتر و یا گرم برلیتر(PPT) است.
بسیاری از دستگاه های هدایت سنج الکتریکی دارای این قابلیت میباشند که کاربر بتواند ضریب تبدیل بین EC و TDS را وارد نماید، هرچند بسیاری از EC متر و یا سختی سنج ها نیز بطور خودکار این مقدار را ۰.۵۰ در نظر و تنظیم نموده اند. این ضریب برای محلول های بشدت یونی در حدود ۰.۵ و برای محلول های ضعیف یونی مانند کودها در حدود ۰.۷ می باشند. البته باید توجه داشت که ضریب تبدیل فوق برای هر ماده جامد متفاوت است. با توجه به فرمول ارائه شده فوق بعنوان مثال میتوان در نظر گرفت که چگونه میتوان مقادیر اندازه گیری شده EC را به TDS تبدیل کرد:
EC₂₅ * ضریب تبدیل = TDS
بعنوان نمونه اگر ضریب فاکتور را همان ۰.۵ در نظر بگیریم ، هدایت الکتریکی ۱۰۰ میکرو زیمنس/سانتی متر باشد ، میزان TDS معادل ۵۹ PPM است.
تعیین میزان شوری
از هدایت الکتریکی برای تعیین میزان شوری آب دریاها ( شوری سنج ) نیز استفاده می شود.جهت اندازه گیری شوری آب دریا یکاهای مختلفی وجود دارد که هر دستگاه اندازه گیری میزان EC و یا کنداکتیویتی میتواند از یکی از انها استفاده نماید. سه یکایی که اغلب جهت این اندازه گیری مورد استفاده قرار میگیرد عبارتند از :
۱- PSU = PARTICAL SALINITY SCALE
مربوط به معیار ایجاد شده توسط یونسکو است که بین ۰.۰۰ تا ۴۲.۰۰PSU میباشد
۲- معیار درصدی است که بین ۰ تا ۴۰۰.۰ درصد است درشرایطی که مقیاس ۱۰۰ درصد مربوط به آب دریا میباشد
و سومین معیار هم در سال ۱۹۶۶ توسط یونسکو ایجاد و بین ۰ تا ۸۰.۰۰ ppt است.
اغلب دستگاههای سنجش هدایت الکتریکی دارای الگوریتم هایی هستند که قابلیت تبدیل بین یکاهای ذکر شده را دارا میباشند.
تاثیر دما بر EC
دما به دلیل تاثیر بر یونها از طریق فعالیتهای و یا جنبش یونی آنها بر EC تاثیر دارد. دما بر مقاومت محلول تاثیر معکوس دارد چرا که با افزایش جنبش یونی هدایت الکتریکی بیشتر و مقاومت کمتر خواهد شد. به همین منظور برای دستگاهها EC متر و یا کنداکتیویتی متر سنسورهایی تعبیه شده است که دما را اندازه گیری نمایند. این سنسورها با اندازه گیری دما به جبران دمایی و یا اصلاح مقدار اندازه گیری شده EC با توجه به میزان دما میپردازند. دستگاه های مدرن با برخورداری از دامنه وسیعی از دما این جبران دمایی را بطور محسوس انجام می‌دهند.
چنانچه در حوزه کاری خود به مشکلی برخورد کرده‌اید و در جستجوی فرد و یا شرکت‌های توانمند برای حل مشکلتان هستید می توانید با عضویت در سامانه گلوپ و ثبت مشکل خود با این افراد و شرکت ها ارتباط برقرار کنید.
برای مشاهده مطالب بیشتر به گلوپ پلاس مراجعه فرمایید.