Definition von Leitfähigkeit
Die elektrolytische Leitfähigkeit, abgekürzt EC, ist eine Messung, bei der elektrische Ladungen auf atomaren oder größeren Teilchen in einem Medium unter dem Einfluss einer Potenzialdifferenz bewegt werden. EC ist ein Konzentrationsmaß, das jedoch nicht spezifisch für die Ionenart ist. Ein Ion ist ein geladenes Teilchen, das in der Lösung vorhanden ist und zum Stromfluss beiträgt. Ionen entstehen, wenn ein Salz wie Natriumchlorid in Wasser aufgelöst wird und Teilchen mit elektrischen Ladungen bildet. Natriumchlorid zum Beispiel zerfällt in Na+ und Cl¯. Dies ist eine vereinfachte Definition, da die Messung von vielen Faktoren beeinflusst wird, wie z. B. der Art der im Wasser gelösten Ionenverbindung(en), der Mobilität der Ionen, der Viskosität der Lösung, der Temperatur und der Konzentration.
Der elektrische Leitwert, die Fähigkeit eines Stoffes, einen elektrischen Strom zu leiten, ist der Kehrwert des elektrischen Widerstands. Die Begriffe „Leitwert“ und „Widerstand“ hängen von den geometrischen Abmessungen des zu messenden Stoffes ab. Leitfähigkeit und spezifischer Widerstand sind „normalisierte“ Begriffe, die zur Bezeichnung einer intrinsischen Eigenschaft einer Substanz verwendet werden. Dies ist die Messung, die eine standardisierte EC-Sonde an einem Leitfähigkeits- oder Widerstandsmessgerät liefert. Leitfähigkeitsmessungen können für zusätzliche branchenspezifische Messungen verwendet werden: TDS, Salzgehalt und USP-konforme Leitfähigkeit. Viele Messgeräte von Hanna erlauben auch diese Messungen.
Einheiten von
Messung
Elektrisch
Widerstandsfähigkeit
Der elektrische Widerstand ρ (griechisch rho), auch spezifischer Widerstand (1cm-Würfel) genannt, wird in der Einheit Ohm.cm angegeben. Reinstwasser hat zum Beispiel einen Wert von 18,16 Mohm.cm. bei 25°C.
Elektrisch
Leitfähigkeit
Leitfähigkeit
Die elektrische Leitfähigkeit σ (griechisches Sigma und andere ebenfalls verwendete Symbole) ist der Kehrwert des spezifischen Widerstands und wird in der Einheit Siemens/cm (S/cm, mS/cm, μS/cm, dS/m) angegeben. Reinstwasser hat beispielsweise eine Leitfähigkeit von 0,055μS/cm bei 25 °C.
Die IUPAC-Konferenz
1000 MikroSiemens/cm (μS/cm) = 1,0 MilliSiemens/cm (mS/cm).
Hinweis: Vor 1971 wurde für die Leitfähigkeit die Einheit mho/cm verwendet, die in älterer Literatur teilweise noch zu finden ist.
Hinweis: Vor 1971 wurde für die Leitfähigkeit die Einheit mho/cm verwendet, die in älterer Literatur teilweise noch zu finden ist.
Leitfähigkeit versus spezifischer Widerstand
Obwohl Leitfähigkeit und spezifischer Widerstand reziproke Einheiten sind, die leicht umgerechnet werden können, wird der spezifische Widerstand üblicherweise für sehr niedrige Elektrolytkonzentrationen oder Spuren von Verunreinigungen, z. B. Reinstwasser, und die Leitfähigkeit für aussagekräftige Salzgehalte, z. B. Meerwasser, galvanische Bäder, Säurekonzentrationen, verwendet. Auch die Art der Elektroden und die Messverfahren tragen dazu bei, dass Leitfähigkeits- oder Widerstandsmessungen zuverlässig durchgeführt werden können. Leitfähigkeitsmessungen können verwendet werden, um nützliche branchenspezifische Messungen wie TDS, Salinität und USP-konforme Leitfähigkeit zu liefern, und viele der Hanna-Leitfähigkeitsmessgeräte bieten die Rechenleistung, um diese Messungen automatisch durchzuführen.
TDS
TDS (Total Dissolved Solids) ist eine Methode zur Bestimmung des Feststoffgehalts in einer Lösung. Zur Bestimmung des TDS wird die Lösung, deren Volumen bekannt ist, eingedampft und der Rückstand gewogen. Eine Leitfähigkeitsmessung wird üblicherweise verwendet, um den TDS-Wert (Total Dissolved Solids) zu schätzen, wobei davon ausgegangen wird, dass die Feststoffe überwiegend ionischer Natur sind und die Beziehung zwischen den gelösten Ionen und der Leitfähigkeit bekannt ist.Der TDS-Wert wird in mg/L (ppm) oder g/L angegeben. Bei einfacheren Geräten wird der Faktor automatisch auf typisch 0,50 A gesetzt.
Der TDS-Faktor für stark ionische Lösungen beträgt 0,5, während er für schwach ionische Lösungen (z. B. Düngemittel) 0,7 beträgt.
TDS = Faktor x EC₂₅
Beispiel: 100μS/cm Leitfähigkeit entsprechen einem TDS-Wert von 50 ppm, wenn der Faktor 0,5 beträgt.
Salzgehalt
Leitfähigkeitsmessungen können zur Bestimmung des Salzgehalts für allgemeine ozeanografische Zwecke
verwendet werden.
Für die Messung des Salzgehalts im Meerwasser werden drei Messskalen verwendet, die je nach Ausstattung des Messgeräts zur Verfügung stehen. Die 3 Skalen sind die Practical Salinity Scale (PSU); 1978, die Prozent-Skala (%); und die Natürliche Meerwasserskala (g/L); 1966.
Practical salinityund das natürliche Meerwasser erfordern eine Leitfähigkeitskalibrierung. Die Messgeräte verfügen über Algorithmen zur Umrechnung der Messung in die gewünschte Skala. NaCl % erfordert eine Kalibrierung mit dem Standard HI70371. Tragbare Messgeräte mit dieser Messung erleichtern die Messung des Salzgehalts in Meerwasseraquarien und Brackwasser.
Leitfähigkeit
und Temperatur
Die Leitfähigkeit ändert sich mit der Ionenkonzentration und mit der Temperatur. Eine Kaliumchlorid-Standardlösung, die zur Kalibrierung einer Zellkonstante und einer Leitfähigkeitsmessbrücke verwendet wird, verändert beispielsweise die Leitfähigkeit wie rechts dargestellt.
Wenn sich zwei Variablen ändern, wäre es nahezu unmöglich, sinnvolle Leitfähigkeitsmessungen durchzuführen. Wenn die Temperatur konstant gehalten würde, gäbe es bei der Leitfähigkeitsmessung nur die Variable der Ionenkonzentration. Bei der absoluten Leitfähigkeit handelt es sich um eine Leitfähigkeitsmessung ohne Temperaturkompensation. Wenn die Änderung der Leitfähigkeit einer Lösung mit der Temperatur ein bekanntes Merkmal ist, können die Leitfähigkeitsmessungen durch sorgfältige Messung der Lösungstemperatur auf eine Referenztemperatur (in der Regel 20 oder 25 °C) korrigiert werden. Glücklicherweise verfügen die EC-Sensoren von Hanna über einen integrierten Temperatursensor zur Messung der Lösungstemperatur. Die Kompensation korrigiert die gemessene Leitfähigkeit auf eine Referenztemperatur durch Anwendung eines festen Faktors β für die lineare Kompensation. Hochwertige Messgeräte ermöglichen die Einstellung von β, um verschiedene Lösungen zu kompensieren, und erlauben die Einstellung einer Referenztemperatur über einen größeren Temperaturbereich. β für neutrale Salze liegt typischerweise zwischen 1,5 und 2,2%/°C.
EC₂₅= ECx (1+ β₂₅ (Tx—25))
(USP) United States Pharmacopeia Konformität Leitfähigkeit
Leitfähigkeitsmessungen werden weltweit bei der Herstellung von pharmazeutischem Wasser für Injektionszwecke (WFI) eingesetzt. Mit den EC-Sonden und -Messgeräten von Hanna können Sie die USP<645> Anforderungen an die Wasserleitfähigkeit und Europäisches Arzneibuch 2.2.38 Leitfähigkeitstest für gereinigtes Wasser nach USP und EP und Wasser für Injektionszwecke. USP<645> mit dreistufiger Konformität verwendet die Leitfähigkeit als Grundlage für ionische Verunreinigungen. Faktoren wie Genauigkeit, Auflösung, Sicherheit der Zellkonstante und die Fähigkeit, die absolute Leitfähigkeit zu messen, sind erforderlich. Stufe 1 verwendet Inline-Leitfähigkeitsmessungen für die Einhaltung der Vorschriften und einen Temperatur/Leitfähigkeits-Grenzwert für die Einhaltung. Wasser, das die Grenzwerte der Stufe 1 nicht erfüllt, muss dann gemäß den Anforderungen der Stufe 2 getestet werden. Dabei handelt es sich um ein laborgestütztes Verfahren, das durch den Einsatz unserer Messgeräte mit USP-Anwendungsfirmware optimiert wird. Sie bieten programmierbare Sollwerte, um die USP- und EP-Mindestanforderungen zu übertreffen, sowie Anleitungen für den Techniker. Wasser, das die Stufe 2 nicht besteht, muss auf den pH-Wert untersucht werden.
Die Verwendung der Hanna-Leitfähigkeit hilft, die Ziele der USP Purified Water- und WFI-Anforderungen zu erreichen, zu denen eine verbesserte Wasserqualität, eine höhere Zuverlässigkeit der Geräte und eine Reduzierung der Anzahl der erforderlichen Tests gehören.
Kalibrierung der Leitfähigkeit
Leitfähigkeitsstandards sind Salzlösungen, für die die Leitfähigkeit und die Temperaturabhängigkeit bekannt sind. Zwischen der Kaliumchloridkonzentration und der elektrolytischen Leitfähigkeit besteht ein klar definierter Zusammenhang, so dass in der Regel KCl-Lösungen als Standards verwendet werden. Zur Bestimmung der Zellkonstante, die theoretisch ein definiertes geometrisches konstantes Volumen ist, wird ein Standard verwendet. Standards von 84 μS/cm, 1413 μS/cm, 5,00 mS/cm oder 12,88 mS/cm, 80 mS/cm und 111,8 mS/cm werden von Hanna hergestellt. Die Kalibrierung wird mit einem Wert durchgeführt, der nahe an der Leitfähigkeit der Probe liegt. Wenn die genaue Zellkonstante bekannt ist, erlauben einige Messgeräte die manuelle Eingabe des Faktors. Dies gewährleistet maximale Flexibilität und Messgenauigkeit. Unsere Prüfstandmessgeräte für die Forschung ermöglichen die Kalibrierung mehrerer Punktwerte für eine verbesserte Genauigkeit über einen größeren Messbereich.
Arten von Leitfähigkeit
Hanna stellt drei Arten von Leitfähigkeitssonden her. Die einfachste Ausführung ist eine 2-Elektroden-Sonde, die einen amperometrischen Ansatz für die Messung verwendet; eine bekannte Wechselspannung wird mit einer bestimmten Frequenz zwischen einem Elektrodenpaar in der Lösung angelegt. Der erzeugte Strom wird gemessen und in Leitfähigkeitseinheiten angegeben, die sich auf einen kalibrierten Standard beziehen. Die Elektroden bestehen aus Graphit oder Metall. Nachteile dieser Technologie sind Verschmutzung durch mineralische Ablagerungen und Polarisierung bei hoher Konzentration. Zwei-Elektroden-Sonden werden am besten in sauberem Wasser eingesetzt, wenn die Leitfähigkeit unter 5 mS/cm bleibt.
Bei der Vier-Elektroden-Leitfähigkeitsmessung (Vier-Ring-Leitfähigkeit) wird ein potentiometrischer Ansatz für die Messung verwendet; ein Wechselstrom wird an die beiden äußeren „Antriebs“-Elektroden angelegt, um einen Strom in der Lösung zu induzieren. Die Spannung wird zwischen dem inneren Elektrodenpaar in der Lösung gemessen. Die Spannung ist proportional zur Leitfähigkeit. Diese Technologie erweitert den linearen Messbereich um drei Dezimalstellen. Die Elektroden bestehen aus Graphit, rostfreiem Stahl oder Platin. Polarisationseffekte werden reduziert.
Sowohl Zwei- als auch Vier-Elektroden-Sonden können eine Außenhülle über dem Zellkanal aufweisen. Die Hülse muss während der Messung an ihrem Platz bleiben, da sie das gemessene Lösungsvolumen und den Zellfaktor der Sonde bestimmt.
Der dritte Typ von Hanna hergestellter Leitfähigkeitssonden wird häufig in industriellen Prozessen eingesetzt, die an eine Steuerung angeschlossen sind. Eine induktive, elektrodenlose oder Ringkern-Leitfähigkeitssonde verwendet zwei oder mehr Ringkerntransformatoren, die nebeneinander induktiv gekoppelt und von einem inerten Kunststoffmantel umhüllt sind. Durch Anlegen einer Hochfrequenzspannung an den Antriebsring entsteht ein Magnetfeld, das in der umgebenden Lösung einen Strom induziert. Ein Empfänger-Ringkernwandler auf der anderen Seite des Sensors misst die Stärke des induzierten Stroms. Die Stärke hängt von der Leitfähigkeit der Lösung ab. Die Vorteile dieser Technologie liegen darin, dass es keine Polarisationseffekte gibt, dass die Wahl des Verkapselungsmaterials chemikalienbeständig und relativ unempfindlich gegen Verschmutzung ist und dass keine Lösungen zur Kalibrierung benötigt werden.
