Электропроводность растворов определяется способностью ионов переносить электрический заряд под действием внешнего электрического поля. В отличие от металлических проводников, где носителями заряда являются электроны, в растворах электрический ток переносится катионами и анионами. Основными характеристиками электропроводности являются молярная проводимость, проводимость раствора и эквивалентная проводимость.
Молярная проводимость Λm выражает способность одного моля растворенного вещества проводить электрический ток и определяется соотношением:
$$ \Lambda_m = \frac{\kappa}{c} $$
где κ — удельная проводимость раствора, c — молярная концентрация. Молярная проводимость зависит от концентрации, температуры и природы растворителя, а также от степени диссоциации электролита.
Эквивалентная проводимость Λeq используется для описания электролитов с точки зрения химической эквивалентности и определяется как:
$$ \Lambda_{eq} = \frac{\kappa}{c_{eq}} $$
где ceq — эквивалентная концентрация ионов. Эта величина особенно удобна для расчёта сильных и слабых кислот и оснований, а также для анализа многокомпонентных растворов.
Слабые электролиты диссоциируют не полностью, и их проводимость напрямую зависит от степени диссоциации α. Закон Оствальда связывает молярную проводимость с константой диссоциации Kd через уравнение:
$$ K_d = \frac{\alpha^2 c}{1 - \alpha} $$
где $\alpha = \frac{\Lambda_m}{\Lambda_m^0}$, а Λm0 — молярная проводимость при бесконечно разбавленном растворе. Этот закон позволяет рассчитать степень диссоциации слабых кислот и оснований по измеренной электропроводности.
Для сильных электролитов молярная проводимость увеличивается с разбавлением раствора, так как уменьшается ионное взаимодействие и возрастает подвижность ионов. Этот эффект описывается законом Коппа и выражается эмпирическим уравнением:
$$ \Lambda_m = \Lambda_m^0 - K \sqrt{c} $$
где K — константа, зависящая от природы электролита и температуры раствора.
Для слабых электролитов при разбавлении наблюдается резкое увеличение молярной проводимости, что связано с ростом степени диссоциации.
Подвижность иона ui определяется скоростью его движения в единичном электрическом поле и зависит от размеров и заряда иона, а также от вязкости растворителя. Удельная проводимость раствора может быть представлена суммой вкладов всех ионов:
κ = F∑iziuici
где F — постоянная Фарадея, zi — заряд иона, ci — его концентрация. Высокие значения подвижности наблюдаются у малых ионов с высокой степенью гидратации, таких как H+ и OH−.
Проводимость растворов увеличивается с ростом температуры за счёт снижения вязкости растворителя и ускорения движения ионов. Зависимость носит экспоненциальный характер и может быть описана уравнением Аррениуса:
$$ \kappa = \kappa_0 \exp\left(-\frac{E_a}{RT}\right) $$
где Ea — энергия активации ионного движения, R — газовая постоянная, T — абсолютная температура.
Измерение электропроводности осуществляется с помощью кондуктометров, которые регистрируют падение напряжения на исследуемом растворе при протекании переменного тока. Использование переменного тока предотвращает электролиз и поляризацию электродов.
Для точного определения молярной проводимости необходимо учитывать температурные поправки и геометрию измерительной ячейки, задаваемую коэффициентом ячейки C:
κ = C ⋅ G
где G — измеренное сопротивление раствора.
Электропроводность является ключевым инструментом для исследования свойств электролитов, определения констант диссоциации, анализа растворимости солей и контроля качества воды и промышленных растворов. Сочетание теоретических моделей и точных измерений позволяет количественно описывать процессы ионного транспорта и прогнозировать поведение растворов в различных условиях.