Elektrická vodivost a její měření

Otázky spojené s měřením elektrické vodivosti vody v akvaristice se staly aktuálními zejména v několika posledních letech, kdy došlo k výraznému snížení cen elektrosoučástek a tím i k snížení ceny potřebných měřících přístrojů, tzv. konduktometrů (z angl. conductivity - vodivost). Máme-li však získat hodnověrné výsledky, je nutno při měření elektrické vodivosti dodržovat nejen správný postup, ale věnovat také náležitou pozornost kontrole a údržbě měřícího zařízení. Elektrická vodivost je základní aditivní vlastnost roztoků elektrolytů, tj. látek (kyselin, zásad a solí), ze kterých disociací (štěpením) vznikají elektricky nabité částice ionty (kladný náboj mají kationty, záporný anionty).

Např. rozpustíme-li ve vodě chlorid sodný NaCl, známou kuchyňskou sůl, disociuje tato na kationty sodíkové Na plus a anionty chloridové Cl mínus. Ionty vznikající při disociaci elektrolytů v roztoku umožňují průtok elektrického proudu. Elektrická vodivost roztoků elektrolytů je závislá na množství iontů obsažených v daném roztoku, tj. na jejich koncentraci, dále na velikosti náboje jednotlivých iontů, na teplotě roztoku a na tzv. pohyblivosti iontů v elektrickém poli, tj. jak rychle se ten který iont v elektrickém poli pohybuje.

Z těchto důvodů není elektrická vodivost různých roztoků přímo porovnatelná. Abychom mohli porovnávat vodivost různých elektrolytů, byla zavedena tzv. měrná vodivost, značíme ji malým řeckým písmenem gama mající rozměr (S/cm), která je definována vztahem:

y = G · l : A (1)

( G krát l děleno A )

kde G je změřená vodivost, l vzdálenost mezi měrnými elektrodami a A je plocha jedné z elektrod.

Ve skutečnosti tedy všechny konduktometry měří měrnou vodivost, i když se obvykle mluví jen o vodivosti. Vodivost je však jen převrácená hodnota odporu a má rozměr Simens (S), zatímco měrná vodivost má rozměr S/cm. Při měření vody se obvykle měrná vodivost udává v jednotkách µS/cm (tj. mikrosimens na cm), což znamená v jednotkách milionkrát menších než je jednotka základní.

Stanovená měrná vodivost nám zprostředkuje poznatek o obsahu iontů v daném roztoku čili o koncentraci rozpuštěných disociovaných látek. Závislost vodivosti na velikosti náboje jednotlivých iontů a jejich pohyblivosti způsobuje, že vztah mezi vodivostí a koncentrací je závislý na aktuálním složení rozpuštěných elektrolytů což znamená, že bez znalosti složení roztoku nemůžeme ze stanovené vodivosti určit jaká je přesná koncentrace elektrolytů.

Stanovení měrné vodivosti roztoků se provádí ve vodivostní nádobce (sondě) změřením jejího odporu. Ve vodivostní nádobce jsou zabudovány dvě elektrody. Plocha každé elektrody A (v cm čtverečních) a vzdálenost elektrod 1 cm určuji tzv. odporovou konstantu nádobky (sondy), která se obvykle označuje k a je rovna:

k = l : A (2)

Odporová konstanta je pro každou nádobku jiná a je třeba ji určit experimentálně pomocí standardního roztoku známé měrné vodivosti a to změřením odporu standardního roztoku v dané nádobce. Jestliže označíme měrnou vodivost standardního roztoku Y gama a odpor standardního roztoku R s pravým dolním indexem S, určíme odporovou konstantu ze vztahu:

k = y · R (3)

( gama s pravým dolním indexem s krát R s pravým dolním indexem s ) který snadno odvodíme ze vztahu (1)

Známe-li odporovou konstantu (k) dané vodivosti nádobky nebo sondy, můžeme po změření odporu neznámého elektrolytu vypočítat jeho měrnou vodivost podle vztahu:

y= k · R : l = k · G (4)

Většina používaných přístrojů má již stupnici okalibrovanou přímo v hodnotách měrné vodivosti, ovšem vždy ve spojení s určitou vodivostní nádobkou. Právě vodivostní nádobka však může být hlavní příčinou chybných výsledků a to tehdy, jestliže nějakým způsobem dojde ke změně její odporové konstanty. To se může stát např. při znečištění nebo poškození elektrod, případně i jejich stárnutím. Máme-li dostávat vždy spolehlivé a správné výsledky, je třeba občas provést kontrolu hodnoty odporové konstanty, popřípadě přímo přístroje proměřením standardního roztoku se známou hodnotou měrné vodivosti.

Jako standardní roztok se obvykle používá roztok chloridu draselného KCl a to o koncentraci 0,01 mol/l. Tento roztok má při 20°C měrnou vodivost Y = 1278 µS/cm. Při 25°C je Y = 1413 µS/cm. Standardní roztok KCl se připraví navážením přesně 0,7456 g KCl p.a. vysušeného při 105 °C a rozpuštěním v redestilované nebo demineralizované vodě a doplněním objemu přesně na jeden litr. Roztok se ihned po přípravě přelije do lahve z umělé hmoty s dobře těsnící zátkou. Za těchto podmínek je neomezeně stálý.

Při kontrole správnosti měřícího přístroje, nebo při stanovení odporové konstanty nádobky postupujeme tak, že vodivostní nádobku proplachujeme destilovanou nebo demineralizovanou vodou a pak alespoň třikrát standardním roztokem KCl vytemperovaným na 20 nebo 25 °C. Pak teprve změříme měrnou vodivost a porovnáme s tabulkovou hodnotou. Zjistíme-li rozdíl, pak poměr tabulkové hodnoty ku naměřené hodnotě nám udává korekční faktor, kterým je třeba každou naměřenou hodnotu násobit, abychom dostali hodnotu správnou.

Některé přístroje mají vestavěn korekční člen, kterým můžeme provést odpovídající korekci přímo na stupnici. Po skončení každého měření je třeba vodivostní nádobku (sondu) propláchnout destilovanou vodou, aby nedošlo k zaschnutí zbytků elektrolytů na elektrodách či v nádobce. Na závěr si položme otázku, k čemu je dobré měřit elektrickou vodivost, nebo přesněji měrnou vodivost? Jak bylo řečeno, je měrná vodivost závislá na obsahu elektrolytů obsažených v měřeném roztoku. Obsah elektrolytů má však také značný význam pro vývojové vody, kde významně ovlivňuje osmotický tlak a proto znalost této hodnoty je vedle znalosti hodnoty pH a tvrdosti jedním z důležitých faktorů, které mohou ovlivnit zdárný průběh výtěru a vývoje akvarijních ryb, zejména pokud tento údaj znáte z literatury.

Domnívám se, že tento údaj je ještě důležitější než údaje o tvrdosti vody, protože vody téže tvrdosti mohou mít podstatně rozdílný obsah elektrolytů a to tehdy, pokud obsahují ty elektrolyty, které se nepodílejí na tvrdosti. S tímto problémem také úzce souvisí otázka, zda je možné na základě měření vodivosti určit přesně tvrdost vody ? Stručně řečeno možné to není, a to proto, že vodivost nezávisí pouze na koncentraci elektrolytů, ale také na náboji vznikajících iontů a na jejich pohyblivosti. Je třeba si uvědomit, že můžeme mít vodu o nulové tvrdosti a přesto její vodivost může být značná, pokud tato voda bude obsahovat jiné ionty než ty, které způsobují tvrdost.

To má význam např. při sledování vyčerpanosti a regenerace iontoměničových kolon. Také hodnota pH může dost výrazně ovlivnit vodivost, neboť ionty H+ a OH- ovlivňující hodnotu pH se vyznačují značně vyšší pohyblivostí než ostatní ionty. Chceme-li tedy vyvozovat z naměřené hodnoty měrné vodivosti určité závěry, je třeba myslet na všechny faktory, které měrnou vodivost ovlivňují a pokud chceme dodržet stejné podmínky, pak nestačí naměřit stejnou vodivost, ale je nutné dodržet i stejné ostatní hodnoty ovlivňující vlastnosti vody, tj. tvrdost, pH a teplotu.