Практичне заняття №9 Електрохімічні пвп

9.1. Мета заняття. Ознайомитись з основними технічними та метрологічними характеристиками електрохімічних ПВП та набути навиків із розрахунку їх параметрів. Тривалість заняття – 4 години.

9.2 Основні теоретичні положення.

Електрохімічними називають такі ПВП, які виконані у вигляді комірки, заповненої електропровідним розчином, з двома або декількома електродами. Вхідними параметрами електрохімічних ПВП є хімічний склад і концентрація розчинів, а також швидкість переміщення або тиск розчину. Вихідними параметрами є ЕРС або електричний опір.

До електрохімічних ПВП відносять: електрохімічні резистивні, гальванічні, електрокінетичні, кулонометричні та полярографічні перетворювачі.

Електричний опір комірки електрохімічного ПВП залежить від складу і концентрації досліджуваного розчину і геометричних розмірів комірки.

, (9.1)

де γ – питома електропровідність розчину; l – відстань між електродами; S – їх активна площа; f – коефіцієнт активності; λ – еквівалентна електропровідність; с – молярна концентрація.

Залежність електропровідності розчину від температури, якщо концентрації невеликі (до 0.05 Н) описується виразом:

, (9.2)

де γ, γ₀ – електропровідності розчину при температурі Т і Т₀; β – температурний коефіцієнт електропровідності.

Значення електродних потенціалів різних величин відносно водневого електрода визначаються загалом властивостями самої речовини і залежать від концентрації та температури розчину (рівняння Нернста):

, (9.3)

де е₀ – нормальний потенціал електрода (електродний потенціал при t=18⁰С і нормальній концентрації розчину); Т – абсолютна температура розчину; R – універсальна газова стала; n – валентність іонів; F – стала Фарадея.

В основу роботи гальванічних ПВП покладено залежність електродних потенціалів від активності водневих іонів, за якою можна визначити властивості, зокрема концентрацію водних розчинів. На практиці для зручності обчислень активність водневих іонів характеризують водневим показником рН, який визначається з виразу:

, (9.4)

де – активність іонів водню.

Гальванічні ПВП складаються із двох напівелементів: скляного вимірювального, електродний потенціал якого є функцією рН_х досліджуваного розчину та допоміжного, електродний потенціал якого відомий і не залежить від властивостей досліджуваного розчину. Сумарний електродний потенціал е_х буде визначатись, як:

, (9.5)

де е₀ – електродний потенціал вимірювального на півелемента при рН_х=0; е_рН=0; е_рН – коефіцієнт, значення якого зумовлене параметрами вимірювального на півелемента (питома ЕРС електрода мВ/рН).

У загальному вигляді різниця потенціалів між вимірювальним електродом і електродом, який використовується для порівняння, можна записати наступним чином:

, (9.6)

де t – температура розчину, ⁰С; е_і і рН_і – координати ізопотенціальної точки.

Постійна електролітичної комірки k – це коефіцієнт, який визначає відношення між питомою електропровідністю γ і електропровідністю комірки γ_k, або її опором R_k:

. (9.7)

Кулонометричні ПВП побудовані на явищі електролізу. Зв’язок між речовиною, яка виділилась і кількістю електрики, яка виникла під час електролізу, визначається з виразу:

, (9.8)

де t₁, t₂ – проміжок часу, за який відбувається електроліз; n – валентність іонів; М – маса речовини; F – постійна Фарадея; А – молекулярна маса речовини.

Принцип дії полярографічних ПВП побудований на використанні явища поляризації на одному із електродів електролітичної комірки при електролізі досліджуваної речовини. Перетворювач складається із електролітичної комірки, яка заповнена розчином досліджуваної речовини з двома електродами, до яких підводиться поступово збільшуючи напруга U від зовнішнього джерела живлення. Струм, який проходить через комірку визначається з виразу:

, (9.9)

де R – опір комірки; е_а – потенціал анода; е_k – потенціал катода.

Електрокінетичні перетворювачі побудовані на використанні різниці потенціалів, які виникають при протіканні полярної рідини через пористу перегородку або при деформації границі розділу двох рідин, які відрізняються фізичними властивостями. Якщо на кінцях капіляра або пористої перегородки розмістити електроди і утворити електричне поле, то виникне рух рідини в капілярі.

Швидкість протікання рідини визначається із виразу:

, (9.10)

де Е – напруженість електричного поля в капілярі, В/м; S – площа січення капіляра (або сума січень площ пор), м²; ε – діелектрична постійна рідини, Па∙с; ξ – електрокінетичний потенціал, В; Q – витрата рідини, м³/с.

При примусовому протіканні рідини через капіляр або пористу перегородку між електродами виникає різниця потенціалів, яка визначається з виразу:

, (9.11)

де Р – гідростатичний тиск (перепад тиску), Па; γ – питома провідність рідини, с_м/м.

9.3 Вказівки щодо підготовки до заняття

При підготовці до заняття студент повинен самостійно ознайомитись з основними теоретичними відомостями, які містяться у практикумі цього заняття, а також рекомендованою літературою [2] розділ 10, [3] розділ 10.

9.4 Порядок виконання роботи.

9.4.1. Студент повинен одержати у викладача завдання згідно варіанта.

9.4.2. Провести розрахунок параметрів електрохімічних резистивних, кулонометричних, гальванічних, поліграфічних та електрокінетичних ПВП.

9.4.3. Зробити висновок по роботі.

9.5 Варіанти завдань

Завдання №1

Визначте опір комірки електрохімічного ПВП при температурі t заповненої 5% розчином речовини. Максимальна електропровідність розчину при 20⁰С становить γ₀, температурний коефіцієнт β, а стала комірки k.

Таблиця 9.1. Варіанти вихідних даних до завдання №1

Вихідні дані	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
t, 0C	30	35	40	45	50	30	35	40	45	50
γ0, см/м	7.18	8.56	8.25	5.65	9.25	8.23	8.75	7.28	5.73	7.18
β, k-1	0.024	0.019	0.016	0.024	0.019	0.016	0.024	0.019	0.016	0.024
k, м-1	170	180	190	200	170	180	190	200	170	180

Завдання №2

Електроди електрохімічного резистивного ПВП виконані у вигляді прямокутних пластин (а×в), відстань між пластинами l. Визначте питому електропровідність розчину при температурі 40⁰С, якщо опір електродної комірки при цій температурі R.

Таблиця 9.2. Варіанти вихідних даних до завдання №2

Вихідні дані	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
а×в, см	2×3.5	2×3	2.5×2	3×1.5	1.5×3	2.5×3.5	2.5×3.5	2×3	1.6×1.8	2.4×2.6
l, см	2	3	4	2.5	3.5	4.5	5	2	3	4
R, Ом	15	10.5	12	13	13.5	14	14.5	14.8	17	18

Завдання №3

Гальванічний ПВП складається із вимірювальногь скляного електрода і хлорсрібного електрода порівняння, визначте координати ізопотенціальної точки, а також коефіцієнт перетворення гальванічного ПВП, якщо його ЕРС представлено виразом , мВ.

Завдання №4

Визначіть масу виділеної речовини в процесі її електролізу у кулонометричному ПВП, якщо мольна маса даної речовини М, сила струму при якому відбувається електроліз I, час електролізу τ, а n – кількість електронів, які беруть участь в окисленні чи відновленні одного моля речовини.

Таблиця 9.3. Варіанти вихідних даних до завдання №4

Вихідні дані	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
М, г/моль	120	150	140	160	180	170	190	130	120	150
I, А	3.1	3.3	3.5	2.25	2.34	2.65	3.2	3.3	3.5	3.8
τ, год	3	4	5	6	3	4	5	6	3	4
N	2	3	4	2	3	4	2	3	4	2

Завдання №5

Електрокінетичний ПВП вібрографа складається з чутливого елемента у вигляді мембрани. Вібраційні коливання передаються на мембрану через щуп. Визначіть діюче значення ЕРС при синусоїдальному характері вібраційних коливань з частотою w, якщо штивність пружного елемента щупа W, механічна стала часу τ, амплітуда перетворюваного

Таблиця 9.4. Варіанти вихідних даних до завдання №5

Вихідні дані	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
w, с-1	6	8	10	12	6	8	10	12	6	8
W, Н/м	20	30	40	50	60	70	20	30	40	50
Хм	0.5	0.6	0.7	0.5	0.6	0.7	0.5	0.6	0.7	0.5
d, см	2	3	2.2	4	2.6	3.6	3.8	3.2	2.8	4
τ, с	0.02	0.5	0.7	0.05	0.4	0.3	0.03	0.5	0.04	0.1
μ,мПа∙с	1.5	1.8	2.1	2.2	2.3	2.5	2.7	2.8	2.9	3.1
γ, см/м	5.8	5.9	6.8	7.15	7.7	8.1	8.3	8.4	8.57	8.6
ε	15	17	18	20	22	23	24	25	30	16

сигналу Х_м, діаметр мембрани d, електрокінетичний потенціал перетворювача 3∙10^-8 В, а μ, γ, ε – відповідно динамічна в’язкість, питома електропровідність та діелектрична проникність розчину.

9.6 Запитання для самоконтролю

9.6.1. Загальний принцип побудови електрохімічних ПВП.

9.6.2. Які параметри можуть бути виміряні за допомогою електрохімічних ПВП?

9.6.3. Принцип дії гальванічних рН-метрів.

9.6.4. Основні джерела похибок гальванічних перетворювачів.

9.6.5. Наведіть основні типи безконтактних електрохімічних ПВП.

9.6.6. Що таке дисоціація, електроліз? Як ці явища можна використати у електрохімічних ПВП?

9.6.7. Що таке «іоністор», для чого їх використовують?

9.6.8. Чи може рН середовища бути 32? Відповідь поясніть

9.6.9. Що таке ізопотенціальна точка?

9.6.10. Наведіть структурну схему електрохімічного ПВП для вимірювання товщини покриття металу лаком.