Мост кольрауша принцип работы кратко

Обновлено: 05.07.2024

Немецкий физик-экспериментатор Фридрих Кольрауш (1840-1910) предложил заменить постоянный ток переменным, который не оказывает никакого влияния на электролит, так как вещества, которые выделяются в один момент, в другой с изменением направления тока поглощаются. Взяв за основу известный мостик Уитстона для измерения сопротивления металлических проводников, он разработал для измерения сопротивления электролитов свой мостик, названный мостиком Кольрауша. Оказалось, что предельная молекулярная электропроводность раствора электролита равна сумме подвижностей его ионов при бесконечном разбавлении. Из этих данных и данных Гитторфа получалось, что при одинаковой электродвижущей силе каждый ион перемещается со свойственной ему скоростью независимо от того, перемещаются ли в это время через жидкость другие ионы.

Метод Кольрауша стал применяться при анализе строения солей, кислот, оснований в растворах и в других исследованиях. Кодьрауш показал также, что чистая вода (он перегонял ее в золотых сосудах по пятидесяти раз) обладает большим сопротивлением ввиду ничтожной диссоциации ее собственных частиц. Безводный хлористый водород также оказался плохим проводником, в то время как водный раствор соляной кислоты принадлежит к числу наиболее электропроводных электролитов. Можно ли объяснить столь различные свойства хлористого водорода, не допустив взаимодействия частиц хлористого водорода с водой?

Нерешенные проблемы, как это обычно бывает, возникали одна за другой. Существовали, например, экспериментальные факты, свидетельствующие о том, что электролиз действительно начинается при минимальной электродвижущей силе, но вскоре останавливается. Чтобы он не прекращался, надо поддерживать в цепи ЭДС, иногда довольно значительную. Это стало предметом внимательного изучения.

В 1873 г. Гельмгольц высказал первые предположения, которые привели к весьма продуктивным результатам. Прежде всего он вывел из закона Фарадея важное следствие. Если для разложения эквивалентных количеств разных веществ необходимо всегда одно и то же количество электричества, значит, не происходит никакой затраты ЭДС на разложение электролита в растворе. А это, в свою очередь, значит, что в растворах ионы находятся до электролиза в свободном состоянии, электрический ток их только подхватывает и направляет к электродам. Выделяясь на электродах, ионы разряжаются и отдают все количество электричества, которое несли на себе.

Таким образом, предполагает Гельмгольц, ионы свободны и имеют электрический заряд, между ними существуют электрические силы, а разложение сводится лишь к тому, чтобы отнять у ионов их заряды. Иначе говоря, работа разложения тратится лишь на превращение ионов в молекулы, на их перевод в нейтральное состояние. Именно в процессе этих рассуждений у Гельмгольца рождается мысль об электролитической диссоциации.

Мост Кольрауша - это прибор, разработанный немецким физиком Фридрихом Кольраушем для измерения проводимости электролитов.

Принцип

Электролит представляет собой раствор органов , которые могут проводить электричество. Проводимость электролита зависит от веществ в растворе, концентрацию раствора и температуры.

Для измерения проводимости электролита используется кондуктометрическая ячейка . Он состоит из двух платиновых электродов с платиновым покрытием (покрытых порошковой платиной) площадью S , разделенных знаком l , погруженных в электролит.

Конечно, правильное измерение проводимости требует больших экспериментальных мер предосторожности (чистота раствора электролита; чистота электродов; контроль условий эксперимента: температура, вибрация и т. Д.)

Сопротивление, наблюдаемое между двумя электродами, подчиняется закону проводимости :, где ρ - удельное сопротивление электролита. На практике предпочтительно использовать обратную γ проводимости сопротивления: . р знак равно ρ л S >> γ знак равно 1 ρ >>

Таким образом, можно определить проводимость Г электролита, применяя формулу: на измерении сопротивления R . γ знак равно 1 р л S > >>

Описание

Мост Кольрауша представляет собой адаптацию моста Уитстона для измерения сопротивления кондуктометрической ячейки.

По сути, мост Кольрауша представляет собой мост Уитстона, в котором неизвестное сопротивление, которое необходимо измерить, заменяется ячейкой проводимости. Однако практическая реализация сборки требует нескольких доработок:

Проводящие измерения начались еще в XVIII веке, когда Андреас Баумгартнер заметил, что соленые и минеральные воды из Бад-Гаштайна в Австрии проводят электричество. Таким образом, использование этого метода для определения чистоты воды, которая часто используется сегодня для проверки эффективности систем очистки воды, началось в 1776 году. Так и началась история кондуктометрического метода анализа.

Фридрих Кольраушпродолжил развитие этой науки в 1860 годах, когда применил переменный ток к воде, кислотам и другим растворам. Примерно в это же время Уиллис Уитни, который изучал взаимодействия комплексов серной кислоты и сульфата хрома, нашел первую кондуктометрическую конечную точку. Эти находки завершились потенциометрическим титрованием и первым инструментом для объемного анализа Робертом Берендом в 1883 году при титровании хлорида и бромида HgNO₃. Таким образом, современный кондуктометрический метод анализа основан Берендом

Кондуктометрический метод анализа основан на измерении электрической проводимости растворов и установления зависимости ее от концентрации.

Метод применим для определения концентрации растворов солей, кислот, оснований, для контроля состава промышленных растворов.

-низкочастотное кондуктометрическое титрование

-высокочастотное кондуктометрическое титрование

· Теоретические основы метода

Проводники электрического тока делятся:

-проводники 1 рода - это металлы, обладающие электронной проводимостью

- проводники 2 рода – это электролиты, обладающие ионной проводимостью

Электролиты – это вещества, молекулы или кристаллы которых распадаются на ионы, под воздействием молекул растворителя или высокой температуры (диссоциация)

В кондуктометрии рассматриваются именно проводники второго рода.

Для электролитов, также, как для металлов справедлив закон Ома:

· сила тока в проводнике прямо пропорциональна напряжению на его концах (разности потенциалов) и обратно пропорциональна сопротивлению этого проводника.

Где: I-сила тока,А

U-разность потенциалов между электродами,В

R-сопротивление проводника, Ом

Основной константой, характеризующей электрические свойства веществ, является электрическое сопротивление

R = p ,

l-длина (расстояние между электродами),м

S- площадь сечения проводника,м 2 ,см 2

p-удельное сопротивление,Ом*см/см 2 Удельным сопротивлением называется сопротивление столба исследуемого вещества длиной в 1 см и площадью сечения 1 см 2

Единица измерения электрической проводимости- сименс,См

1 сименс - это электрическая проводимость проводника, между концами которого создается

напряжение 1В при силе тока 1А

Электрическая проводимость (W) – величина, обратная электрическому сопротивлению проводника (R)

W =

Величина, обратная удельномуэлектрическому сопротивлению, называется удельной

Удельная электрическая проводимостьравна электрической проводимости 1 м 3 раствора, находящегося между параллельными электродами площадью 1 м 2 при расстоянием между ними 1м.

Для характеристики качественных и количественных характеристик растворов применяют эквивалентную электропроводность

Эквивалентной электропроводностью называется электрическая проводимость раствора электролита толщиной 1 м, находящегося между одинаковыми электродами с такой площадью, чтобы объем жидкости, заключенный между ними, содержал 1 моль химического эквивалента растворенного вещества.

Эквивалентная электропроводность измеряется в См ∙ моль –1 ∙ м 2 или Ом –1 ∙ моль–1 ∙ м 2 . В справочной литературе эквивалентную электропроводность часто приводят в единицах измерения См ∙ моль –1 ∙ см 2 или Ом –1 ∙ моль –1 ∙ см 2 . (При этом удельная электропроводность ϰ выражается в Ом –1 ∙ см –1 или См ∙ см –1 , С- молярная концентрация эквивалента в моль/см 3 ).

· Закон Кольрауша

В бесконечно разбавленном растворе эквивалентная электропроводность достигает предела и не зависит от концентрации, т.к в растворах слабых электролитов наступает полная диссоциация (α==1), в растворах сильных электролитов исчезает межионное взаимодействие

Эквивалентная электропроводность бесконечно разбавленных растворов (λ_∞) называется предельной электропроводностью

Кольрауш установил, что при таком разведении катионы и анионы проводят электричество независимо друг от друга, т.к. силы взаимодействия между ними отсутствуют. В этом случае эквивалентная электропроводность раствора будет равна сумме электропроводностей катионов (λк) и анионов (λа)

λ∞ = λк + λа

На основании этого закона можно рассчитать любого раствора с известной концентрацией

Значения подвижностей ионов приводятся в справочной литературе

Электропроводность раствора зависит:

-от природы вещества

Зависимость удельной электропроводности электролитов от концентрации

По величине эквивалентной электропроводности можно рассчитать:

-растворимость веществ и другие величины

· Измерение электропроводности

Аппаратурой для измерения сопротивления и следовательно электропроводности является мостовая схема Уитстона на приборе Кольрауша

Приборы для измерения электропроводности - кондуктометры

Принцип действия этих приборов основан на измерении электропроводимости анализируемых растворов, т. е. на кондуктометрическом методе. Применяются измерительные ячейки, состоящие из двух электродов, помещенных в анализируемый раствор на определенном расстоянии друг от друга. Сопротивление ячейки определяется только электропроводимостью раствора.

Принципиальная схема кондуктомера

Прибор состоит из двух основных узлов: преобразователя (1) и измерительного устройства (2).

Преобразователь включает электрохимическую ячейку ЭЯ, температурно-компенсирующее сопротивление Rt. с и шунтирующее сопротивление RT, служащее для настройки схемы.

Измерительное устройство- уравновешенный мост переменного тока - включает мостовую схему М, электронный усилитель ЭУ и реверсивный двигатель РД, воздействующий на движок реохорда Rv.

Сопротивления RH.ш и Rn. ш служат для настройки в процессе работы. Действует прибор следующим образом. Изменение концентрации раствора вызывает изменение сопротивления между электродами измерительной ячейки ЭЯ, что приводит к разбалансу моста, и на входе усилителя появляется сигнал, пропорциональный изменению концентрации раствора. Усиленный сигнал воздействует на реверсивный двигатель РД, перемещающий движок реохорда в направлении ликвидации разбаланса. Контакты К1 и К2 сигнализируют о максимальном и минимальном значении концентрации раствора.

· Методы кондуктометрии

-низкочастотное кондуктометрическое титрование

-высокочастотное кондуктометрическое титрование

· Теоретические основы метода

Проводники электрического тока делятся:

-проводники 1 рода - это металлы, обладающие электронной проводимостью

- проводники 2 рода – это электролиты, обладающие ионной проводимостью

В кондуктометрии рассматриваются именно проводники второго рода.

Для электролитов, также, как для металлов справедлив закон Ома:

Где: I-сила тока,А

U-разность потенциалов между электродами,В

R-сопротивление проводника, Ом

Основной константой, характеризующей электрические свойства веществ, является электрическое сопротивление

R = p ,

l-длина (расстояние между электродами),м

S- площадь сечения проводника,м 2 ,см 2

Единица измерения электрической проводимости- сименс,См

1 сименс - это электрическая проводимость проводника, между концами которого создается

напряжение 1В при силе тока 1А

Электрическая проводимость (W) – величина, обратная электрическому сопротивлению проводника (R)

W =

Величина, обратная удельномуэлектрическому сопротивлению, называется удельной

· Закон Кольрауша

λ∞ = λк + λа

На основании этого закона можно рассчитать любого раствора с известной концентрацией

Значения подвижностей ионов приводятся в справочной литературе

Электропроводность раствора зависит:

-от природы вещества

Зависимость удельной электропроводности электролитов от концентрации

По величине эквивалентной электропроводности можно рассчитать:

-растворимость веществ и другие величины

· Измерение электропроводности

Приборы для измерения электропроводности - кондуктометры

Принципиальная схема кондуктомера

Прибор состоит из двух основных узлов: преобразователя (1) и измерительного устройства (2).

24. Мостик Кольрауша.

Простым мостиком Витстона нельзя измерить сопротивление жидкости, так как под действием постоянного тока жидкость поляризуется. Влияния этой поляризации можно избежать, если, по способу Кольрауша, питать измерительный мостик переменным током, обычно получаемым для этой цели от катушки Румкорфа. Так как при этом в цепи проходят переменные токи, то применение гальванометра будет бесполезно и его обыкновенно заменяют слуховой телефонной трубкой. На рис. 92 показан такой мостик, при чем в качестве неизвестного Х включены навстречу друг другу два совершенно одинаковых гальванических элемента. Включение не одного, а двух элементов вызывается тем, что один элемент давал бы в ветви мостика ток, при наличии же двух элементов, включенных навстречу, их электродвижущие силы, как равные (относительно) и противоположно направленные, будут взаимно уравновешиваться. Такое включение особенно необходимо тогда, когда гальванический элемент сильно поляризуется или когда измеряют внутреннее сопротивление аккумуляторов, которые могут дать очень сильный ток и тем испортить вводимые в цепь приборы. Этот способ обладает тем преимуществом, что внутреннее сопротивление элемента получается независимо от его электродвижущей силы и изменений последней.

Если для измерения внутреннего сопротивления взять три гальванических элемента и вводить вышеуказанным образом в измерительный мостик сначала элементы I и II, затем элементы II и III и, наконец, элементы III и I, то получим слеуюшие три уравнения:

Из уравнений 1 и 2 следует:

то в результате имеем:

Подобным же образом найдем

Если например, было найдено:

Таким образом, оперируя с тремя одинаковыми элементами и включая их в мостик по два, мы в конечном результате с достаточной точностью можем определить внутреннее сопротивление каждого из этих элементов в отдельности. Если бы мы ограничились включением лишь одной пары элементов, как это показано на рис. 92, то сопротивление каждого из них мы могли бы получить лишь приблизительно, деля полученный ответ на 2.

Как мостики Витстона, так и мостики Кольрауша доставляются фирмами, изготовляющими измерительные приборы, в собранном виде. Рис. 93 дает нам общий вид мостика Кольрауша в изготовлении его известной фирмой Гартман и Браун, а рис. 94 — схему этого мостика. Для пользования мостиком нужно присоединить к зажимам g и l — источник тока, к зажимам i и q — телефон Т и к зажимам q и h искомое сопротивление X. Мостик снабжен особым коммутатором, благодаря которому постоянный ток батареи можно давать непосредственно в разветвления мостика или же не только в разветвления, но и в специальную катушку S. В первом случае мостик обслуживается не телефоном, а гальванометром и, как обыкновенный мостик Витстона, дает возможность определить сопротивления твердых проводников. Во втором случае в качестве искомого сопротивления берутся сопротивления жидких тел или электролиты.

При работе с гальванометром имеем следующее направление тока.

При работе с телефоном ток пойдет сначала через прерыватель no, а потом двумя параллельными путями — через катушку S и через мостик. Для первого пути имеется следующее направление тока:

Для второго пути направление тока будет:

В обоих случаях в плече а включают только одно из имеющихся пяти сопротивлений и затем передвигают контакт f до такого положения, при котором стрелка гальванометра должна оставаться неподвижной или телефон не должен шуметь. Обозначив балансные сопротивления через с и b, получим

Величина отношения дается на шкале мостика непосредственно. Таким образом, выбрав величину а и для данного значения а, подобрав отношение с/b или, иначе говоря, величину К так, чтобы гальванометр не давал отклонения (или телефон не шумел), будем иметь

При работе с катушкой S пружинку-прерыватель no нужно так подрегулировать специальными винтиками, чтобы она издавала характерное жужжание.

Читайте также: