물 속의 이온과 도전율에 대해서

물 속의 이온과 도전율에 대해서

도전율의 역사

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1745년 이탈리아에서 태어난 볼타(A. Volta)는 성장과 함께 두각을 나타냈고, 1799~1800년 볼타전지를 발명했습니다.

그때까지 알려져 있던 마찰 전지와는 달리, 연속적인 전류를 얻을 수 있는 볼터 전지는 세기의 대발견이었습니다.

이 볼터의 발명 이후 여러 사람이 새로운 발견을 했지만, 독일의 물리학자 옴(G.Ohm)도 그 중 한 사람이었습니다.옴은 금속의 도전율을 측정해 1827년 유명한 옴의 법칙을 발견했습니다.

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영국의 패러디(M. Faraday)는 1791년 대장간의 아들로 태어나 열세 살 때 제본방 견습공이 되었는데, 그곳에서 많은 책을 접했습니다.

1813년, 왕립 연구소의 교수 디비의 조수가 되어 화학과 물리 분야에서 활동하였습니다.

1833년 전기 분해의 법칙을 발견해, 용액속에서 전기를 운반하는 입자로서 이온을 상정했습니다.

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전해질 용액의 전기 전도성은 독일의 콜라우쉬(F. Kohlrausch)에 의해 1869~1880년에 걸쳐 정력적으로 측정되었습니다.

콜라우쉬는 원래 물의 이온적을 구하는 방법으로 도전율을 측정하기 시작한 것으로 알려져 있습니다.

이때 도전율을 측정하기 위해 고안된 ‘콜러우슈 브릿지’는 지금도 잘 알려져 있습니다.

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물 속의 이온과 도전율

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물의 도전율을 측정한다는 것이 무슨 의미가 있는가? 라는 처음부터의 의문은 해결되지 않았다고 생각하실 겁니다.그래서, 슬슬 본론으로 들어가도록 하겠습니다.

전기는 전류가 흐르고 있습니다.

이것은 전선과 같은 금속 중에는 자유전자라는 것이 많이 있고, 그것들이 전기를 운반하고 있다고 생각하면 됨니다.

이런것들을 총칭해서 전자전도체라고부른다.

이에 반해 전해질 용액처럼 이온이 전기의 전도에 미치는 것이 이온 전도체라고 부른다

여기서 갑자기 생소한 말이 몇 가지 나와서 설명하자면 어떤 물질을 액체(Twin에서는 물)에 녹였을 때 얻어진 액이 전기를 흐르게 하는 성질의 경우 그 액을 전해질 용액이라고 하고 녹인 물질을 전해질이라고 합니다.

그리고 용액 속에서 전기를 옮기는 입자를 이온(그리스어로 방랑자를 뜻함)이라고 부릅니다.

가까이 있는 것은 식염(Nacl)이 전해질인데, 이를 물에 녹여 소금물을 만들면 나트륨이온(Na+)과 염화물이온(Cl-)이 되어 각각 전기를 운반하는 입자라고 합니다.

여기서 도전율이란 전기의 흐르기 쉬운 지표였습니다.

또, 물속에서는 이온이 전기를 옮깁니다.

그렇다는 것은, 물속에서 Na+, Cl-가 많을수록 전기는 많이 운반되기 때문에, 도전율은 커진다는 것입니다.

정리해 보면, 도전율을 알면 소금물의 농도를 알 수 있다는 것입니다.

(Twin 도전율계의 염분환산 표시기능도 이를 이용한 것입니다.)

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소금물의 농도와 도전율(액온 25℃)

NaCl농도 (W / V) %	도전율 (mS / cm)	NaCl농도 (W / V) %	도전율 (mS / cm)
0.1	2.0	1.1	19.2
0.2	3.9	1.2	20.8
0.3	5.7	1.3	22.4
0.4	7.5	1.4	24.0
0.5	9.2	1.5	25.6
0.6	10.9	1.6	27.1
0.7	12.6	1.7	28.6
0.8	14.3	1.8	30.1
0.9	16.0	1.9	31.6
1.0	17.6	2.0	33.0

강전해질과 약전해질

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식염수의 도전율을 알 수 있는 것으로 농도를 알 수 있다고 했습니다.

그럼 설탕물도 잴 수 있지? 라고 생각하신 분들도 있지 않을까요?

안타깝게도 도전율계로는 설탕물의 농도를 측정할 수 없어요.

설탕은 물에 녹아도 이온이 되지 않는, 즉 전해질이 아니라는 것입니다.

물 속에서 이온이 될 때 비로소 도전율계로 측정할 수 있습니다.

그리고 전해질도 인간과 마찬가지로 여러 가지 성격이 있습니다.

전해질의 분해 중 하나로 강 전해질과 약 전해질이라는 것이 있습니다.

여기에 대해서 조금 이야기를 해 두겠습니다.

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강전 해질

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NaCl이나 KCl 등 많은 염류에서 볼 수 있는 것으로 물에 녹은 전해질이 거의 이온화 되어 농도와 도전율의 관계는 거의 직선입니다.

그러나 저농도 영역에 비해 고농도가 될수록 농도에 대한 도전율은 크지 않습니다.

이것은 농도가 높아질수록 이온끼리 힘을 서로 미치게 되어 전기가 흐르기 어렵게 되어 있다고 생각해 주십시오.

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약 전해질

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초산(초산) 등 유기산에서 나타나는 것으로 농도가 매우 낮은 영역에서는 도전율과 직선관계이지만 농도가 높아질수록 이온화하는 비율이 감소하고 고농도에서는 전해질의 극히 일부만 이온화되며 대부분은 분자인 채로 물속에 녹아있는 듯한 것을 말합니다.

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정확한 도전율 측정

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도전율 측정과 액체 온도에 대하여

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용액의 도전율은 일반적으로 액체온도에 의해 크게 변화합니다.

온도에 민감하다는 이야기입니다.

도전율 측정은 가능한 한 정확한 온도 관리가 필요합니다.

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*항온조를 이용하여 측정*

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항온조를 사용하여 샘플 액체온도을 25℃로 유지하여 측정.

이때 셀의 온도와 샘플 액온을 같게 하기 위해 잠시 셀을 샘플에 담갔다가 측정해 주십시오.

*실온에서의 측정*

실온에서 측정할 때는 온도 변화가 일어나는 장소를 피합니다.

이 때 셀의 온도와 샘플 액온을 같게 하기 위해 잠시 셀을 샘플에 담갔다가 측정해 주십시오.

 

셀을 샘플에 담글 때의 주의점

1. 잘 세척된 도전율 셀을 사용한다.

2. 극판이 모두 샘플에 쓰이도록 셀을 담가.

3. 외통과 지지관 사이에 기포가 있으면 셀을 흔들어 제거한다.(아래위순으로)

 

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