歷史的故事化學的故事

有趣的電導性

  
  如果人能將自己縮小100億倍,進入水中,就會發現那是何等有趣的世界,許多的離子擁抱著水分子,四處奔跑、互相碰撞,水世界似乎是一個永無止盡的競技場。

  
在過去,全世界沒有一個警察,能夠對水中的離子下令,「停!不准再動。」或是吩咐:「不要亂撞,往我指揮的方向去」。直到一八七○年德國哥登堡大學(University of Gottingen)的物理學教授克依諾斯科(Friedrich Wilhelm Georg Kohlrausch, 1840-1910)提出將一組陰陽電極插入水中,由於產生電位差的影響,水中的陽離子就會往陰極移動,陰離子就會往陽極移動,以減少電位差。減少電位差的量,相當於水中陰離子與陽離子的總量,他稱此為「電導度」(electrical conductivity,簡稱EC)。電導度愈高,水中陰陽離子的總量愈高,所以在陰陽極影響之下,水中陰陽離子的移動量愈多。反之,電導度愈低,水中陰陽離子的總量愈少。


起初,他做此實驗只是相信,藉著電導度的測定,可以將所有物質的特性測得又快又準確,沒想到後來電導度會成為判斷物質品質重要的依據。例如,水中的電導度較高,代表水中無機鹽類較高,不適合用來灌溉作物;殼粒的電導度高,是含水量較高,儲存時易發霉;豬肉在冷藏時的電導度提高,是部份豬肉腐爛分解所致;血液中電導度的改變,代表鹽類代謝的失調;皮膚表面電導度的提高,代表緊張情況下意識的反應,可作犯罪測謊偵訊的因子。
由於電導度的量測可以測得很準,些微的離子變化都能偵測出來,後來電導度測定儀又稱為「克依諾斯科電橋」(Kohlrausch bridge)。


其實電導度的重要,不止是在應用的廣泛,而是偵測水中離子的特性,conductivity在中文上雖然譯為「導」,其實仍不貼切,因為這字是由con與ductive兩部份組成,前者有「一起」(together),後者有「引導」(lead)的意思,所以這字在希獵文的原意是「一起引導」。電導不是只在導電子,而是將原來奔跑沒有方向,彼此一直相撞的所有離子,引到陰極或陽極的固定方位上。


因為離子在水中的大小不同,這稱為離子半徑(ionic radius),例如H+為0.012A°,Si4+為0.4A°,Al3+為0.54A°,Fe2+為0.65A°,Mg2+為0.72A°,Zn2+為0.74A°,Mn2+為0.83A°,Cd2+為0.95A°,Ca2+為0.99A°,Na+為1.02A°,K+為1.38A°,NH4+為1.43A°等,1A°等於10-10m。而離子在水中移動的速度又與離子半徑有關,離子半徑愈大,在水中移動的阻力愈大,對電導的影響就較小。一八七四年,克依諾斯科又提出電導度也能表示水中離子移動的速度。
而離子移動的速度也與溫度有關,溫度愈高,離子的移動愈快,水中電導度值也增加。


由於所有生物的細胞,都有一定滲透壓的忍受範圍,所以只要用電導度值就能區分不同生物所能忍受的滲透壓環境。用一支簡易的電導度測定儀,就可以瞭解一部份生命存活的奧祕。人能夠明白生命的奧祕,這真是何等的奧祕啊!

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