Conductimetrie is een eenvoudige, snelle en niet-destructieve analysetechniek waarmee de elektrische geleidbaarheid van een vloeistof wordt gemeten. Doordat de geleidbaarheid van een waterige oplossing direct samenhangt met de aanwezigheid en concentratie van vrij beweeglijke ionen, is een conductiviteitsmeter in feite een eenvoudige maatstaf voor het totale gehalte aan opgeloste ionen — of dat nu calcium en magnesium in drinkwater is, zouten in een fermentatiemedium of restionen in gedemineraliseerd water. De techniek wordt sinds de eerste helft van de twintigste eeuw breed toegepast in waterlaboratoria, de farmaceutische industrie, de voedingsmiddelensector en de procescontrole, en is daarnaast onmisbaar als detectiemethode bij conductometrische titraties en bij ionenchromatografie. In dit artikel leest u wat conductimetrie is, hoe een conductiviteitsmeter werkt, wat de celconstante en de eenheden zijn, hoe u correct kalibreert en welke toepassingen er zijn.
Conductimetrie is de meting van het elektrische geleidingsvermogen van een vloeistof. In een oplossing dragen vrij beweeglijke geladen deeltjes — kationen en anionen — een elektrische stroom. Hoe meer ionen aanwezig zijn, en hoe mobieler ze zijn, hoe hoger het geleidingsvermogen. Zuiver water heeft een extreem lage geleidbaarheid omdat er nauwelijks ionen in zitten; een verzadigde zoutoplossing geleidt juist uitstekend.
De grootheid die wordt gemeten is de specifieke geleidbaarheid κ (kappa), met als SI-eenheid siemens per meter (S/m). In de laboratoriumpraktijk wordt vrijwel altijd de eenheid µS/cm (microsiemens per centimeter) of mS/cm (millisiemens per centimeter) gebruikt. De relatie tussen beide is eenvoudig: 1 mS/cm = 0,1 S/m. Ter oriëntatie: ultrapuur water heeft een geleidbaarheid van ongeveer 0,055 µS/cm bij 25 °C, wat overeenkomt met een soortelijke weerstand van 18,2 MΩ·cm — de twee eenheden zijn elkaars omgekeerde en worden in de praktijk door elkaar gebruikt. Drinkwater ligt tussen 200–800 µS/cm, en zeewater bij circa 50 mS/cm. De termen conductiviteit en geleidbaarheid zijn in de laboratoriumpraktijk volledig synoniem; ook de afkorting EC (Elektrische Conductiviteit, internationaal Electrical Conductivity) is gangbaar, met name in de landbouw, tuinbouw en bodemkunde. Een instrument dat de geleidbaarheid meet heet een conductiviteitsmeter, ook wel aangeduid als conductometer of EC-meter. Belangrijk: een conductiviteitsmeter meet het totale iongehalte van de oplossing, maar geeft geen informatie over de identiteit van individuele ionen en kan evenmin de pH bepalen — daarvoor is een aparte pH-meting met een geschikte elektrode vereist.
Een geleidbaarheidsmeting gebeurt met een geleidbaarheidscel: twee elektroden op een nauwkeurig bekende, vaste afstand, ondergedompeld in de te meten oplossing. Tussen de elektroden wordt een spanning aangelegd en de daaruit volgende stroom wordt gemeten. Uit de verhouding stroom/spanning volgt het elektrische geleidingsvermogen G van de cel met inhoud (in siemens, S — het omgekeerde van weerstand in ohm).
Een belangrijk verschil met andere elektrochemische metingen is dat conductimetrie met wisselspanning werkt, niet met gelijkspanning. Een gelijkspanning zou aan de elektroden tot elektrolyse leiden — gasvorming, neerslag van metaal en polarisatie van de elektroden — wat de meting onbruikbaar maakt. Door snel wisselende spanning (typisch 1–3 kHz) te gebruiken, bewegen de ionen alleen heen en weer zonder dat aan de elektroden chemische reacties optreden. Om dezelfde reden is een standaard multimeter ongeschikt voor nauwkeurige geleidbaarheidsmeting: multimeters werken met gelijkstroom, wat direct polarisatie en elektrolyse aan de elektroden veroorzaakt en de meting onbetrouwbaar maakt. In tegenstelling tot potentiometrie is bij conductimetrie geen referentie-elektrode of zoutbrug nodig, wat de methode mechanisch eenvoudig en onderhoudsarm maakt. Wanneer de frequentie van het wisselspanningssignaal wordt gevarieerd over een breed bereik en de fase-informatie wordt geregistreerd, gaat conductimetrie over in elektrochemische impedantiespectroscopie (EIS), die naast de geleidbaarheid ook de ladingsoverdracht en diffusie aan het elektrodeoppervlak zichtbaar maakt.
De bijdrage van een individueel ion aan de totale geleidbaarheid wordt uitgedrukt als equivalente geleidbaarheid Λ (lambda), met eenheid S·cm²/mol. Voor ideale, oneindig verdunde oplossingen geldt de wet van Kohlrausch: de geleidbaarheid van een elektrolyt is de som van de bijdragen van kationen en anionen onafhankelijk van elkaar. Niet alle ionen dragen even sterk bij — de equivalente geleidbaarheid bij oneindige verdunning Λ₀ verschilt per ion:
De extreem hoge waarden voor H⁺ en OH⁻ verklaren waarom zuren en basen veel sterker geleiden dan zoutoplossingen van vergelijkbare concentratie. Dit hangt samen met het Grotthuss-mechanisme: protonen springen van watermolecuul naar watermolecuul in plaats van als vrij ion door de oplossing te migreren. Concreet wordt een positieve lading via een keten van waterstofbruggen van molecuul op molecuul doorgegeven, waardoor de effectieve ladingsoverdracht ver boven de snelheid van mechanische iondiffusie uitstijgt. Hetzelfde principe geldt voor OH⁻ in omgekeerde richting, wat de eveneens hoge waarde voor hydroxide-ionen verklaart. De relatie tussen ionmobiliteit en viscositeit is geformaliseerd in de regel van Walden (Walden's rule): Λ₀ · η ≈ constant. Hoe viskeuzer het oplosmiddel, hoe lager de geleidbaarheid — relevant voor metingen in niet-waterige media, zoals geleidbaarheid in alcoholen of mengsels.
Naast de equivalente geleidbaarheid Λ wordt in de wetenschappelijke literatuur ook de molaire geleidbaarheid Λm (S·cm²/mol) gebruikt. Voor monovalente ionen zijn de twee numeriek gelijk; voor meerwaardige ionen geldt Λm = z · Λ, waarbij z de valentie is. Bij toenemende concentratie daalt Λm doordat tegengesteld geladen ionen elkaars beweging elektrostatisch afremmen en elkaars hydratatiesfeer beïnvloeden. Dit verband wordt beschreven door de Onsager-vergelijking (ook wel Debye-Hückel-Onsager-vergelijking): de molaire geleidbaarheid daalt evenredig met de wortel van de concentratie. De in de tabel vermelde Λ₀-waarden zijn daarom altijd waarden bij oneindige verdunning — de bovengrens van de geleidbaarheid voor elk ion afzonderlijk.
De gemeten geleidingsvermogen G hangt niet alleen af van de oplossing, maar ook van de geometrie van de cel — een grotere afstand tussen de elektroden geeft een lagere stroom, een groter elektrodeoppervlak een hogere. Deze geometriefactor wordt samengevat in de celconstante K:
K = l / A
Hierin is l de afstand tussen de elektroden en A hun oppervlakte. De celconstante heeft als eenheid cm⁻¹ (of m⁻¹). Voor de meeste laboratoriumcellen ligt de celconstante tussen 0,01 cm⁻¹ (voor ultrapuur water, met grote elektroden dicht bijeen) en 10 cm⁻¹ (voor sterk geleidende oplossingen, met kleine elektroden ver uit elkaar). De juiste keuze van de celconstante moet passen bij het te verwachten geleidbaarheidsbereik:
De feitelijke geleidbaarheid van de oplossing volgt dan uit:
κ = G × K
De celconstante wordt voor elke cel bij productie nauwkeurig bepaald en op de cel vermeld. In de praktijk wordt deze waarde regelmatig opnieuw bepaald (gekalibreerd) door een geleidbaarheidsstandaard met bekende κ te meten.
De internationale referentiestandaard voor conductiviteitskalibratie is een kaliumchloride-oplossing. KCl is als primaire standaard gekozen omdat K⁺ en Cl⁻ nagenoeg gelijke ionmobiliteiten bezitten — respectievelijk 73,5 en 76,4 S·cm²/mol — de oplossing chemisch stabiel en nauwkeurig te bereiden is, en niet reageert met glas of roestvrij staal. Een 0,01 mol/L KCl-oplossing heeft bij 25 °C een geleidbaarheid van precies 1413 µS/cm, een waarde die teruggaat op het door NIST gepubliceerde primair-standaard onderzoek en die op alle commerciële kalibratievloeistoffen wordt vermeld. Andere veelgebruikte kalibratiepunten zijn 84 µS/cm (0,001 mol/L KCl), 12,88 mS/cm (0,1 mol/L KCl) en 111,8 mS/cm (1 mol/L KCl). De keuze van het kalibratiepunt sluit aan bij het meetbereik: een meter die drinkwater meet, wordt op 1413 µS/cm gekalibreerd; een meter voor zeewater op 12,88 of 111,8 mS/cm.
Belangrijke praktische punten bij kalibratie:
De geleidbaarheid van een waterige oplossing is sterk temperatuurafhankelijk: de viscositeit van water daalt bij hogere temperatuur en de ionen bewegen sneller. Voor de meeste waterige systemen neemt de geleidbaarheid ongeveer 2 % per °C toe — een aanzienlijk effect. Een meting bij 20 °C en bij 25 °C levert daardoor verschillende waarden op voor hetzelfde monster, wat vergelijken bemoeilijkt. Zo levert een meting bij 20 °C — de referentietemperatuur die in oudere Europese normering nog werd gehanteerd — voor hetzelfde watermonster een circa 8–10 % lagere conductiviteitswaarde op dan bij 25 °C, doordat water bij lagere temperatuur viskeuzer is en ionen langzamer bewegen.
Daarom worden gemeten waarden volgens internationale conventie altijd omgerekend naar een referentietemperatuur, meestal 25 °C (soms 20 °C). Moderne conductiviteitsmeters bevatten een ingebouwde temperatuursensor in de cel en een automatische temperatuurcompensatie (ATC) die deze omrekening realtime uitvoert. Bij ATC meet de temperatuursensor de actuele vloeistoftemperatuur en past de meter de gemeten conductiviteitswaarde automatisch aan met de standaardcoëfficiënt van 2%/°C, zodat de uitgelezen waarde altijd naar de referentietemperatuur is herrekend, ongeacht de werkelijke monstertemperatuur. Voor preciezere metingen — bijvoorbeeld in de farmacie — kan een lineaire compensatiecoëfficient worden ingesteld die specifiek bij de matrix past. Bij sterk verdunde monsters wijkt het temperatuurgedrag overigens af van de standaardcoëfficient, en is een non-lineaire compensatie volgens EN 27888 / ISO 7888 nauwkeuriger. Voor ultrapuur water, waar de eigen ionisatie van water domineert (H⁺ + OH⁻), gelden afwijkende temperatuurkrommen die specifiek door de meter moeten worden toegepast.
Voor conductiviteitscellen worden in de praktijk drie constructies gebruikt:
Bij een conductometrische titratie wordt het verloop van de geleidbaarheid κ tijdens een titratie gevolgd als functie van het toegevoegde volume titrant. Het eindpunt is herkenbaar als een duidelijke knik in de curve, doordat de samenstelling van de ionen in oplossing op het equivalentiepunt verandert. Anders dan bij potentiometrische titraties is geen indicator of pH-elektrode nodig — de meting werkt voor gekleurde, troebele en zelfs licht-niet-doorlatende monsters.
Twee karakteristieke curves zijn:
De grafische bepaling van het eindpunt verloopt door twee rechte lijnen door de meetpunten vóór en na de knik te trekken; het snijpunt is het equivalentiepunt. Conductometrische titraties zijn extra geschikt voor verdunde oplossingen — daar waar potentiometrische titraties een vlakkere sprong vertonen — en voor titraties waarbij geen geschikte indicator beschikbaar is.
De conductiviteitsdetector is de standaarddetector in ionenwisselchromatografie. Doordat ionen sterk geleiden en organische verbindingen niet, is de respons selectief en zeer gevoelig (detectielimieten tot in het ng/L-bereik). Het succes van moderne ionenchromatografie berust echter op een tweede component: de onderdrukker (suppressor).
Het probleem is dat het eluens zelf zoveel ionen bevat (typisch carbonaat/bicarbonaatbuffer voor anionen of methaansulfonzuur voor kationen) dat de eigen geleidbaarheid van het eluens vele malen hoger ligt dan die van de te detecteren analyt-ionen. De onderdrukker, geplaatst tussen kolom en detector, ruilt de eluensionen elektrochemisch om voor neutrale of zwak-geleidende soorten:
Naast suppressed IC bestaat ook non-suppressed (single column) IC, waarbij een laag-conductief eluens (bijvoorbeeld ftalaat) wordt gebruikt om de achtergrond beheersbaar te houden. Voor zeer gevoelige sporenanalyses is suppressed IC echter standaard.
De geleidbaarheid van een waterig monster wordt vaak gebruikt als snelle indicator voor het Total Dissolved Solids-gehalte (TDS) — het totale gewicht aan opgeloste vaste stoffen. De omrekening is empirisch en afhankelijk van de samenstelling van het water:
TDS (mg/L) ≈ geleidbaarheid (µS/cm) × omrekeningsfactor
De omrekeningsfactor varieert tussen circa 0,5 en 0,7 afhankelijk van het ionenprofiel. Voor drinkwater en grondwater wordt vaak een factor van 0,64 of 0,65 gehanteerd; voor brak water 0,65–0,70; voor zoutoplossingen met overwegend NaCl 0,5. Moderne TDS-meters bevatten een instelbare omrekeningsfactor of meerdere voorgeprogrammeerde profielen (NaCl, KCl, 442, gebruikergedefinieerd). TDS-waarden via conductimetrie zijn altijd een schatting; voor een precieze bepaling is gravimetrische droging volgens APHA 2540C de referentiemethode.
Of een hoge of lage geleidbaarheid wenselijk is, hangt volledig af van de toepassing. Voor drinkwater geldt de Europese richtwaarde van maximaal 2500 µS/cm; in Nederland heeft kraanwater doorgaans een geleidbaarheid van 200–600 µS/cm, afhankelijk van de waterwinlocatie en het zuiveringsproces. Een hoge geleidbaarheid duidt op meer opgeloste ionen, wat voor farmaceutisch water of ultrapuur water ongewenst is maar in de voedings- en procesindustrie indicatief kan zijn voor de aanwezigheid van gewenste elektrolyten of reinigingsmiddelen. Voor farmaceutische en halfgeleidertoepassingen is een zo laag mogelijke geleidbaarheid vereist.
Conductimetrie wordt in een breed scala van laboratoria en industrieën gebruikt:
Voor betrouwbare conductiviteitsmetingen zijn enkele praktische punten belangrijk. De geleidbaarheidscel moet schoon zijn — afzettingen op de elektroden veranderen het effectieve oppervlak en daarmee de celconstante. Spoel de cel tussen metingen met gedemineraliseerd water en dep voorzichtig droog of spoel met het volgende monster. Bij metingen aan ultrapuur water (< 1 µS/cm) is voortdurende CO₂-opname uit de lucht de grootste foutbron: een open monster kan binnen enkele minuten van 0,055 µS/cm naar 1–2 µS/cm stijgen door vorming van H₂CO₃. Meet daarom in een gesloten doorstroomcel of een afgesloten meetvat, en vermijd roeren. Glas geeft eveneens een verhoogde achtergrond door uitloging van Na⁺ en B(OH)₄⁻; gebruik daarom polypropyleen of fluorpolymeer voor zeer lage conductiviteitsmetingen.
Bij metingen in agressieve of bezoedelende media (vloeistoffen met hoge suikergehaltes, eiwitten, oliën of vaste deeltjes) is een inductieve cel of een 4-pool-cel betrouwbaarder dan een traditionele 2-pool-cel. Voor langdurige opslag worden veel cellen droog bewaard; raadpleeg hiervoor de handleiding van de leverancier.
De belangrijkste internationale normen voor conductiviteitsmetingen zijn:
Conductimetrie raakt aan diverse andere onderwerpen in de Labvakhandel-kennisbank. Voor de titratiemethoden die met conductimetrie kunnen worden gevolgd, zie de artikelen over complexometrie en EDTA-titratie en waterhardheid bepalen. Voor de complementaire elektrochemische techniek waarbij wel een referentie-elektrode wordt gebruikt, zie potentiometrie. Voor het gebruik van conductiviteitsdetectie in chromatografie, zie ionenwisselchromatografie. Voor de zuiverheidsspecificatie van het water dat als basis voor kalibratievloeistoffen en monsters wordt gebruikt, raadpleeg zuiverheidsgraden van chemicaliën. Voor de juiste opslag en hantering van kalibratievloeistoffen en reagentia verwijzen wij naar het veiligheidsinformatieblad (VIB). Voor de bepaling van stofhoeveelheid via absolute elektrische lading — een elektrochemische primaire methode zonder externe kalibratie — zie het artikel over coulometrie. Voor frequentie-afhankelijke impedantiemeting aan corrosie, coatings en biosensoren verwijzen wij naar elektrochemische impedantiespectroscopie (EIS), hierboven toegelicht bij het meetprincipe.
Voor het bijbehorende glaswerk en de kunststof artikelen voor titratie- en meetopstellingen kunt u terecht in onze categorieën glaswerk en porselein en laboratoriumplastics. Voor de elementspecifieke kwantificering van afzonderlijke kationen als natrium en kalium — waarbij geleidbaarheid alle ionen gezamenlijk meet — is vlamfotometrie (atomaire emissie) de aanvullende methode. Voor de meting van individuele ionactiviteiten — als aanvulling op de totale geleidbaarheid die conductimetrie meet — zijn ionselective elektroden (ISE) de aangewezen methode. Neem contact op voor advies over een conductimetrische opstelling die past bij uw monstertype en bereik.
Disclaimer: De informatie in dit artikel is bedoeld als algemene technische toelichting. Canidae Seal B.V. / Labvakhandel.nl aanvaardt geen aansprakelijkheid voor de toepassing van deze informatie in specifieke analytische, klinische of industriële situaties. Raadpleeg voor uw eigen toepassing altijd de geldende normen, vakliteratuur en de documentatie van fabrikant en apparatuur.
Inloggen
Wachtwoord vergeten
Account aanmaken
Uw winkelwagen is leeg.
