Физические свойства вода электропроводность

Вода: электропроводность и теплопроводность. Единицы измерения электропроводности воды

Кто знает формулу воды еще со времен школьной поры? Конечно же, все. Вероятно, что из всего курса химии у многих, кто потом не изучает ее специализированно, только и остается знание того, что обозначает формула H₂O. Но сейчас мы максимально подробно и глубоко постараемся разобраться, что такое вода? Какие ее главные свойства и почему именно без нее жизнь на планете Земля невозможна.

Вода как вещество

Молекула воды, как мы знаем, состоит из одного атома кислорода и двух атомов водорода. Ее формула записывается так: H₂O. Данное вещество может иметь три состояния: твердое — в виде льда, газообразное — в виде пара, и жидкое — как субстанция без цвета, вкуса и запаха. Кстати, это единственное вещество на планете, которое может существовать во всех трех состояниях одновременно в естественных условиях. Например: на полюсах Земли — лед, в океанах — вода, а испарения под солнечными лучами — это пар. В этом смысле вода аномальна.

Еще вода — это самое распространенное вещество на нашей планете. Она покрывает поверхность планеты Земля почти на семьдесят процентов — это и океаны, и многочисленные реки с озерами, и ледники. Большая часть воды на планете соленая. Она непригодна для питья и для ведения сельского хозяйства. Пресная вода составляет всего два с половиной процента от всего количества воды на планете.

Вода — это очень сильный и качественный растворитель. Благодаря этому химические реакции в воде проходят с огромной скоростью. Это же ее свойство влияет на обмен веществ в человеческом организме. Общеизвестный факт, что тело взрослого человека на семьдесят процентов состоит из воды. У ребенка этот процент еще выше. К старости этот показатель падает с семидесяти до шестидесяти процентов. Кстати, эта особенность воды наглядно демонстрирует, что основой жизни человека есть именно она. Чем воды в организме больше — тем он здоровее, активнее и моложе. Потому ученые и медики всех стран неустанно твердят, что пить нужно много. Именно воду в чистом виде, а не заменители в виде чая, кофе или других напитков.

Вода формирует климат на планете, и это не преувеличение. Теплые течения в океане обогревают целые континенты. Это происходит за счет того, что вода поглощает очень много солнечного тепла, а потом отдает его, когда начинает остывать. Так она регулирует температуру на планете. Многие ученые говорят, что Земля давно бы остыла и стала камнем, если бы не наличие такого количества воды на зеленой планете.

Свойства воды

У воды есть много очень интересных свойств.

Например, вода — это самое подвижное вещество после воздуха. Из школьного курса многие, наверняка, помнят такое понятие, как круговорот воды в природе. Например: ручеек испаряется под воздействием прямых солнечных лучей, превращается в водяной пар. Далее, этот пар посредством ветра, переносится куда-либо, собирается в облака, а то и в грозовые тучи и выпадает в горах в виде снега, града или дождя. Далее, с гор ручеек вновь сбегает вниз, частично испаряясь. И так — по кругу — цикл повторяется миллионы раз.

Также у воды очень высокая теплоемкость. Именно из-за этого водоемы, тем более океаны, очень медленно остывают при переходе от теплого сезона или времени суток к холодному. И наоборот, при повышении температуры воздуха вода очень медленно нагревается. За счет этого, как и упоминалось выше, вода стабилизирует температуру воздуха на всей нашей планете.

После ртути вода обладает самым высоким значением поверхностного натяжения. Нельзя не заметить, что случайно пролитая на ровной поверхности капля иногда становится внушительным пятнышком. В этом проявляется тягучесть воды. Еще одно свойство проявляется у нее при понижении температуры до четырех градусов. Как только вода остывает до этой отметки, она становится легче. Поэтому лед всегда плавает на поверхности воды и застывает корочкой, покрывая собой реки и озера. Благодаря этому в водоемах, замерзающих зимой, не вымерзает рыба.

Вода, как проводник электроэнергии

Вначале стоит узнать о том, что такое электропроводность (воды в том числе). Электропроводность — это способность какого-либо вещества проводить через себя электрический ток. Соответственно, электропроводность воды — это возможность воды проводить ток. Эта способность непосредственно зависит от количества солей и иных примесей в жидкости. Например, электропроводность дистиллированной воды почти сведена к минимуму из-за того, что такая вода очищена от различных добавок, которые так нужны для хорошей электропроводности. Отличный проводник тока — это вода морская, где концентрация солей очень велика. Еще электропроводность зависит от температуры воды. Чем значение температуры выше — тем большая электропроводность у воды. Эта закономерность выявлена благодаря множественным опытам ученых-физиков.

Измерение электропроводности воды

Есть такой термин — кондуктометрия. Так называют один из методов электрохимического анализа, основанного на электрической проводимости растворов. Применяют этот метод для определения концентрации в растворах солей или кислот, а также для контроля состава некоторых промышленных растворов. Вода обладает амфотерными свойствами. То есть в зависимости от условий она способна проявлять как кислотные, так и основные свойства — выступать и в роли кислоты, и в роли основания.

Прибор, который используют для этого анализа, имеет очень сходное название — кондуктометр. С помощью кондуктометра измеряется электропроводность электролитов, находящихся в растворе, анализ которого ведется. Пожалуй, стоит объяснить еще один термин — электролит. Это вещество, которое при растворении или плавлении распадается на ионы, за счет чего впоследствии проводится электрический ток. Ион — это электрически заряженная частица. Собственно, кондуктометр, взяв за основу определенные единицы электропроводности воды, определяет ее удельную электропроводность. То есть он определяет электропроводность конкретного объема воды, взятого за начальную единицу.

Еще до начала семидесятых годов прошлого столетия для обозначения проводимости электричества использовали единицу измерения «мо», это была производная от другой величины — Ома, являющейся основной единицей сопротивления. Электропроводимость — это величина, обратно пропорциональная сопротивлению. Сейчас же она измеряется в Сименсах. Получила свое название данная величина в честь ученого-физика из Германии — Вернера фон Сименса.

Сименс

Сименс (обозначаться может как См, так и S) — это величина, обратная Ому, являющаяся единицей измерения электрической проводимости. Один См равен электрической проводимости любого проводника, сопротивление которого равно 1 Ом. Выражается Сименс через формулу:

• 1 См = 1 : Ом = А : В = кг −1 ·м −2 ·с³А², где
  А — ампер,
  В — вольт.

Теплопроводность воды

Теперь поговорим о том, что такое теплопроводность. Теплопроводность — это способность какого-либо вещества переносить тепловую энергию. Суть явления заключается в том, что кинетическая энергия атомов и молекул, что определяют температуру данного тела или вещества, передается другому телу или веществу при их взаимодействии. Иначе говоря, теплопроводность — это теплообмен между телами, веществами, а также между телом и веществом.

Теплопроводность у воды также очень высока. Люди ежедневно используют это свойство воды, сами того не замечая. Например, наливая холодную воду в тару и остужая в ней напитки или продукты. Холодная вода забирает тепло у бутылки, контейнера, взамен отдавая холод, возможна и обратная реакция.

Теперь это же явление легко можно представить в масштабе планеты. Океан нагревается в течение лета, а потом — с наступлением холодов, медленно остывает и отдает свое тепло воздуху, тем самым обогревая материки. Остыв за зиму, океан начинает очень медленно нагреваться по сравнению с землей и отдает свою прохладу изнывающим от летнего солнца материкам.

Плотность воды

Выше рассказывалось о том, что рыба живет зимой в водоеме благодаря тому, что вода застывает корочкой по всей их поверхности. Мы знаем, что в лед вода начинает превращаться при температуре в ноль градусов. Из-за того, что плотность воды больше, чем плотность льда, лед всплывает и застывает по поверхности.

Что такое окислительно-восстановительные свойства воды

Также вода при разных условиях способна быть и окислителем, и восстановителем. То есть вода, отдавая свои электроны, заряжается положительно и окисляется. Или же приобретает электроны и заряжается отрицательно, значит, восстанавливается. В первом случае вода окисляется и называется мертвой. Она обладает очень мощными бактерицидными свойствами, только вот пить ее не надо. Во втором случае вода живая. Она бодрит, стимулирует организм на восстановление, несет энергию клеткам. Разница между этими двумя свойствами воды выражается в термине «окислительно-восстановительный потенциал».

С чем вода способна реагировать

Вода способна реагировать почти со всеми веществами, которые существуют на Земле. Единственное, что для возникновения этих реакций нужно обеспечить подходящую температуру и микроклимат.

Например, при комнатной температуре вода отлично реагирует с такими металлами, как натрий, калий, барий — их называют активными. С галогенами — это фтор, хлор. При нагревании вода отлично реагирует с железом, магнием, углем, метаном.

При помощи различных катализаторов вода вступает в реакцию с амидами, эфирами карбоновых кислот. Катализатор — это вещество, словно бы подталкивающее компоненты к взаимной реакции, ускоряющее ее.

Есть ли вода где-либо еще, кроме Земли?

Пока ни на одной планете Солнечной системы, кроме Земли, воды не обнаружено. Да, предполагают о ее присутствии на спутниках таких планет-гигантов, как Юпитер, Сатурн, Нептун и Уран, но пока точных данных у ученых нет. Существует еще одна гипотеза, пока не проверенная окончательно, о подземных водах на планете Марс и на спутнике Земли — Луне. Касательно Марса вообще выдвинуто ряд теорий о том, что когда-то на этой планете был океан, и его возможная модель даже проектировалась учеными.

Вне Солнечной системы существует множество больших и малых планет, где, по догадкам ученых, может быть вода. Но пока нет ни малейшей возможности убедиться в этом наверняка.

Как используют тепло- и электропроводность воды в практических целях

Ввиду того, что вода обладает высоким значением теплоемкости, ее используют в теплотрассах в качестве теплоносителя. Она обеспечивает передачу тепла от производителя к потребителю. Как отличный теплоноситель воду используют и многие атомные электростанции.

В медицине лед используют для охлаждения, а пар — для дезинфекции. Так же лед используют в системе общественного питания.

Во многих ядерных реакторах воду используют как замедлитель, для успешного протекания цепной ядерной реакции.

Воду под давлением используют для раскалывания, проламывания и даже для резки горных пород. Это активно используется при строительстве туннелей, подземных помещений, складов, метро.

Заключение

Из статьи следует, что вода по своим свойствам и функциям — самое незаменимое и поразительное вещество на Земле. Зависит ли жизнь человека или любого другого живого существа на Земле от воды? Безусловно, да. Способствует ли это вещество ведению научной деятельности человеком? Да. Обладает ли вода электропроводностью, теплопроводностью и иными полезными свойствами? Ответ тоже «да». Иное дело, что воды на Земле, а тем более воды чистой, все меньше и меньше. И наша задача — сохранить и обезопасить ее (а значит, и всех нас) от исчезновения.

Источник

Электропроводность воды

В отдельных отраслях применяются исключительно жесткие требования к качеству водоподготовки. В частности, в микроэлектронике и фармацевтике одним из важнейших показателей является электропроводность воды. Способность специально подготовленной жидкости проводить ток и величина удельного сопротивления сказывается на эффективности некоторых технологических процессов.

Физическое свойство вода — проводимость регламентируются для таких отраслей требованиями действующих нормативных документов. В статье рассматриваются основные факторы определяющие уровень ее сопротивления, единицы, методы и приборы для измерений. Читателю предлагается обзор наиболее эффективных способов снижения означенных показателей с использованием профессионального оборудования.

Что такое электропроводность воды

Самая распространенная жидкость на Земле обладает способностью проводить постоянный или переменный ток.

Электропроводности воды — это количественная характеристика этого ее свойства, которое определяется наличием заряженных частиц — положительных и отрицательных ионов. К последним относятся химические элементы, входящие в состав следующих органических и неорганических соединений:

• Щелочи.
• Соли щелочноземельных и других металлов, прежде всего хлориды и сульфиды (сульфаты).
• Карбонаты.

Этот показатель тем выше, чем больше в жидкости находится положительно заряженных ионов — катионов и отрицательных — ионов. Т.е. электропроводность напрямую связана с солесодержанием воды. Удельная электропроводность воды находится в обратной зависимости с сопротивлением воды и определяется для объема жидкости, который находится в промежутке между двумя электронами площадью в 1 см2. Последние при этом располагаются на расстоянии в 1 см друг от друга.

Нормы электропроводимости природной воды

В Российской федерации требования к параметрам качества водоподготовки регламентируются государственными стандартами и другими документами. Удельные показатели электрической проводимости воды различного назначения устанавливаются следующими нормативно-правовыми актами в зависимости от степени чистоты:

1. ГОСТ 52501-2005. Для проведения лабораторных анализов — не более 0,1 и 1,0 мкСм/см для первой и второй степени соответственно.
2. ГОСТ 6709-97. Для дистиллированной воды — менее 5*10-4 См/см.
3. ФС 2.2.20020.15. Вода очищенная фармацевтического назначения — не выше 4,3 мкСм/см.
4. ФС 2.2.0019.15. Вода для приготовления лекарственных растворов и проведения инъекций.

Жесткие технологические нормы электропроводности для воды установлены на предприятиях, выпускающих компоненты для микроэлектроники. Качество жидкости используемых в производственных процессах контролируется специализированными лабораториями и использованием сложных приборов по утвержденным методикам.

Показатели электропроводности: основные факторы

В природных водоемах содержится множество растворимых примесей неорганического происхождения. Они и определяют основные физические свойства вода, и в том числе электропроводность. Величина последней находится в прямой зависимости от ряда факторов:

1. Концентрации заряженных частиц.
2. Состава и природы ионов.
3. Температуры жидкости.

Наибольшее влияние на электропроводность воды оказывают соли жесткости, точнее катионы натрия (Na + ), калия (K + ) и кальция (Ca 2+ ), также анионы хлора (Cl — ) и кислотных групп (SO₄ 2- и HCO₃ — ). Наличие в жидкости ионов двух- и трехвалентного железа (Fe 2+ , Fe 3+ ), а также марганца (Mn 2+ ) и алюминия (Al 3+ ) в незначительных концентрациях практически не сказывается на удельном сопротивлении.

При повышении температуры электропроводность воды существенной возрастает по причине роста скорости ионов, снижения их сольватированности и уменьшения показателей вязкости. При этом рост проводимости, связанный с увеличением концентрации катионов и анионов, наблюдается только до определенного предела. Достигнув максимума, она начинается уменьшаться, что обусловлено усилением взаимодействия заряженных частиц между собой и снижением степени диссоциации.

Определение показателей электропроводности воды

Уровень сопротивления жидкости электрическому току измеряется при помощи специальных приборов. Для количественного определения уровня электропроводности воды используются единицы измерения, установленные международной системой СИ. Применение унифицированных методов и стандартов в этой сфере упрощает лабораторные исследования и понимание получаемых результатов.

Единицы измерения

В нашей стране для измерения проводимости воды используются специальная единица — См/м (Сименс на метр). Она соотносится с удельным сопротивлением как 1 См/м= 1/1 Ом/м. При этом описываемый показатель для природной воды составляет:

• Для пресных рек: от 50 до 1500*10 -6 См/м.
• Для дистиллированной воды: от 0,5 до 5*10 -6 См/м.
• Для ультрачистой деионизированной: от 0,1 до 0,2*10 -6 См/м.

Для удобства в качестве единицы электропроводности воды используют производную, которая составляет одну десятитысячную от основной и записывается как мкСм/см.

Удельное сопротивление жидкости определяется в значительной мере уровнем минерализации. В США для измерения проводимости воды вместо мкСм/см используют величину TDS, указывающую на содержание растворимых солей. Этот показатель рассчитывается в частях на миллион и записывается как ppm. Для перевода этой единицы в международную используется корректирующий коэффициент.

Методы измерений и используемые приборы

В нашей стране удельная проводимость и водородный показатель жидкости определяются электрометрическим способом. Для того чтобы точно рассчитать электропроводность воды специалисты пользуются методикой, установленной РД 52.24.495-2005. Действие этого документа распространятся на поверхностные источники водоснабжения и стоки.

Для измерения электропроводности воды применяется откалиброванный кондуктометр с электродами из нержавеющей стали. Для калибровки прибора используется стандартный раствор с показателем не менее 1500 мкСм/см, при этом отклонение от номинала не должно превышать 2%.

В ходе измерений удельной электропроводности воды фиксируется ее температура, а искомая величина определяется при помощи специальных таблиц. В случае если используются приборы с температурной компенсацией, то на экране сразу же появляется истинное значение, что существенно упрощает процесс.

Снижение электропроводимости воды: профессиональные методы

Современные системы водоподготовки обеспечивают требуемые показатели качества. Для того чтобы уменьшить электропроводность воды в таких установках используются следующие методы очистки:

• обратный осмос;
• электродеионизация;
• ионный обмен.

Перечисленные технологии различаются по уровню эффективности и технико-экономическим параметрам. Выбор того или иного метода осуществляется с учетом показателей проводимости воды, необходимых заказчику. Рассмотрим подробнее возможности и особенности каждого из представленных способов.

Обратный осмос

Суть метода состоит в использовании полупроницаемых мембран для получения пермеата высокой очистки. В процессе обратного осмоса проводимость воды существенно уменьшается по причине ее глубокой деминерализации. Современные промышленные установки обратного осмоса отделяют до 99,9% всех примесей, в том числе и солей жесткости. Такие системы отличаются производительностью до 1000 л/ч.

Показатели электропроводности осмотической воды в зависимости от модели используемой установки колеблется в пределах от 0,1 до 5 мкСм/см. Пермеат без дополнительной обработки относиться к первой степени очистки, и может использоваться в медицине, фармацевтике и других высокотехнологичных отраслях промышленного производства. Обратноосмотические установки в настоящее время являются основными источниками очищенной воды.

Электродеионизация

В настоящее время разрабатываются и внедряются технологии глубокой очистки жидкостей от солей. Необходимые физические свойства воды, в том числе электропроводность на уровне 0,055 мкСм/см, обеспечивает метод электродеионизации. Водоподготовка с его использованием проводится в три этапа:

1. Электродиализ. Удаление катионов и анионов из воды осуществляется при помощи конселективных мембран, которые располагаются перед электродами. К ним прикладывается постоянное напряжение, обеспечивающее движение заряженных частиц.
2. Ионный обмен. Для ускорения процесса в камеру закладывается состав из специальных высокомолекулярных смол, состоящих из катионитов и анионитов. Полимеры имеют пористую структуру и поглощают заряженные частицы и замещают их.
3. Регенерация. Под действием постоянного тока происходит диссоциация молекул воды, и образующиеся при этом ионы обеспечивает восстановление обменных свойств заполнителя.

Очищенная и деионизированная вода обладает крайне низкой проводимостью, что позволяет ее использовать в качестве растворителей для лекарственных препаратов. Промышленные установки электродеионизации имеют высокую производительность и могут использоваться на предприятиях теплоэнергетики.

Ионный обмен

Данная технология обеспечивает эффективное удаление заряженных частиц из жидкости при сравнительно небольших затратах. Значительное снижение ионной проводимости воды достигается за счет использования специальных веществ: ионитов или катионитов. Они выпускаются в виде заполнителей для ионообменных систем — фильтров смешанного действия.

Иониты производятся на основе сетчатых полимеров, которые имеют микропористую или сетчатую структуру. Материал имеет ковалентную связь с ионогенными группами, которые в процессе диссоциации образуют пару из свободного и фиксированного иона с противоположным зарядом. Последний закреплен на полимере.

В результате ионообменного процесса заметно снижается электропроводность воды и уровень ее минерализации. Заряженные частицы из жидкости диффундируют вначале к поверхности, а затем и внутрь сорбента. Со временем способность засыпки поглощать ионы из жидкости снижается и для ее восстановления проводится регенерация с использованием рабочих растворов.

Удельная электрическая проводимость в воде

Компания Diasel Engineering предлагает эффективные технические решения по уменьшению удельной электрической проводимости воды. Предприятие осуществляет поставки оборудования систем обратного осмоса, электродеионизации и ионного обмена. Наши специалисты выполняют монтаж установок водоподготовки, необходимые пусконаладочные работы и обеспечивают их техническое обслуживание.

Снижение электропроводности воды до требуемых показателей — задача исключительно сложная и для ее решения необходимо привлечение профессионалов. ООО «НПК «Диасел» приглашает к сотрудничеству предприятия, нуждающиеся в установках глубокой очистки. Комплексное решение проблем водоподготовки — наша основная специализация.

Источник