Ваш браузер устарел и не обеспечивает полноценную и безопасную работу с сайтом.
Установите актуальную версию вашего браузера или одну из современных альтернатив.
; Исследования термоэлектрических явлений в водных растворах электролитов позволили авторам [1] теоретически предсказать и экспериментально обнаружить новый класс термоэлектрических эффектов, к числу которых отнесен термоэлектрокинетический эффект, заключающийся в формировании термоэлектрокинетической ЭДС при наличии градиента температуры (переноса теплоты) и массопереноса (течения электролита).
В работе [2] была выдвинута гипотеза о влиянии термоэлектрических процессов, происходящих в биологических жидкостях, на процессы терморегуляции. В работе [3] проведены исследования термоэлектрического эффекта в образцах крови животных, обсуждается влияние ионного состава на электропроводность и коэффициент термоэлектрической ЭДС.
Таким образом, экспериментальные исследования термоэлектрических процессов в водных растворах электролитов могут представлять интерес как с позиций физики конденсированного состояния, так и с точки зрения фундаментальной биофизики.
Коэффициент электропроводности среды σ определяется аддитивными вкладами всех видов заряженных частиц и зависит от их подвижности ui [4]
(1)
где F — постоянная Фарадея; zi — электрический заряд частицы в единицах заряда электрона; сi — объемная концентрация частиц вида i.
Коэффициент термоэлектродвижущей силы α = Δφ/ΔT до момента времени, когда в растворе еще не сформировались высокие градиенты концентрации, определяется аддитивными вкладами отдельных заряженных частиц, каждый из которых пропорционален произведению подвижностей ui на их теплоту переноса Qi:
(2)
где zi — электрический заряд частицы видаi в единицах заряда электрона.
С целью определения вкладов ионов в величину электропроводности и коэффициента термоэлектрической ЭДС в качестве объектов исследования нами были выбраны растворы гидроксидов калия KOH и натрия NaOH различной концентрации.
Экспериментальная установка для измерения коэффициента термоэлектрической ЭДС представляла собой U-образную трубку, в которую заливался исследуемый раствор. Одно колено нагревалось от источника тока путем подключения контактов к спирали, изготовленной из нихромовой проволоки. Питание нагревательного элемента осуществлялось за счет лабораторного источника тока ATH-1232, позволяющего получать постоянное напряжение в диапазоне до 30 В, и токи не более 2 А. В одно колено U-образной трубки помещались датчики напряжения и температуры. В другое колено помещался второй датчик напряжения. В качестве датчиков напряжения применялись химические электроды сравнения ЭВЛ-1М4. В качестве раствора для электродов приготавливался 24-процентный раствор хлорида калия KCl.
Для измерения температуры использовался полупроводниковый датчик ДТУ-301. Для измерения величины термоэлектрической ЭДС был использован лабораторный pH-метр Мультитест. Посредством интерфейса прибор подключался к ПЭВМ, что позволяло автоматизировать сбор и обработку экспериментальных данных.
Измерения коэффициента электропроводности проводились с помощью лабораторного кондуктометра Mettler Toledo S30. Температура образцов составляла 25 °C.
В ходе исследования были получены значения термоэлектрической ЭДС и удельной электропроводности для указанных электролитов в широком диапазоне концентраций. Максимальное значение концентрации ограничивается известным пределом растворимости (107 г / 100 мл для KOH, 108,7 / 100 мл для NaOH) и выбиралось равным 50 %.
Минимальное значение концентрации было выбрано равным 0,00025 %. При этом наблюдалось значимое отличие измеряемых коэффициентов от аналогичных в деионизированной воде (дистилляте). Так, коэффициент термоэлектрической ЭДС дистиллированной воды не превышал 5 мкВ/К, а значение в растворе гидроксида натрия с концентрацией 0,00025 % составляло около 214 мкВ/К. Электропроводность дистиллята не превышала 3 мСм/см, растворы с минимальными исследованными концентрациями характеризовались электропроводностью на порядок выше.
Экспериментальная зависимость удельной электропроводности растворов гидроксида натрия от концентрации представлена на рис. 1. Монотонный рост для ненасыщенных растворов находится в согласии с классической теорией электропроводности электролитов. Максимум достигается при значениях порядка 25 %. При величинах концентрации ионов, близких к пределу растворимости электропроводность начинает уменьшаться. Это может быть связано с уменьшением подвижности образующихся ионных комплексов.
Зависимость коэффициента термоэлектрической ЭДС от концентрации для растворов NaOH отображена на рис.2. Отметим весьма слабую зависимость в широком диапазоне концентрации, вплоть до предела растворимости. Полученный результат согласуется с классической теорией термоэлектрических явлений и с ранее полученными в работе [1] данными.
Аналогичные результаты были получены при исследовании растворов водных растворов гидроксида калия. Электропроводность при равных значениях массовой концентрации для гидроксида калия была приблизительно на 40 % меньше, чем для гидроксида натрия. В частности, для 1%-ных растворов гидроксидов калия и натрия, соответственно 1,2 и 1,7 мСм/см. Указанное различие исчезает при переводе концентрации из массовой в молярную, с учетом молярных масс исследованных гидроксидов.
Коэффициенты термоэлектрической ЭДС при равных значениях массовой концентрации для гидроксида калия была приблизительно на 40% больше, чем для гидроксида натрия. В частности, для 1%-ных растворов гидроксидов калия и натрия — соответственно 0,6 и 0,45 мВ/К. Различие может быть обусловлено меньшей подвижностью более тяжелых ионов K+ по отношению к катионам Na+.
Анализ полученных экспериментальных данных и их сравнение с известными из литературных источников позволили сделать следующие выводы:
