導電率及阻抗值

導電率 Conductivity 及阻抗值 Resistivity

水中的離子含量也就是導電物質的總含量,可用電子導電率來加以表示。電子導電率,即電子流動 "容易" 的程度,與水中離子含量成正比關係。而阻抗值 (=比阻抗值) 則表示電子流動 "困難" 的程度,其值隨著水中離子含量減少而增加。
因此,比阻抗值與導電率呈倒數關係。由於自來水、蒸餾水中含有較多的離子,因此以導電率來表示,而超純水所含離子較少,以比阻抗值來表示。 檢測原理是,在水中將距離 1cm 的兩片表面積為 1cm² 大小的電極加以通電,來檢測兩極間的導電率與電阻值,其單位表示如下。

比阻抗值的表示單位:MΩcm (mega ohm-centimeter)
導電率的表示單位:µS/cm (micro Siemens per centimeter)

比阻抗值 (Resistivity) 與導電率 (Conductivity) 互為倒數,並且由此可知,雖然兩組單位看起來如此不同,
但指涉的,卻是同一件事情。

超純水的極限值

將自來水中的離子除去,會使得比阻抗值升高(導電率減少),但比阻抗值並無法無限制的增加(理論上,水中離子濃度趨近零時,阻抗值就會趨近於無限大)。 這是因為永遠有一小部分的水分子會以解離狀態(氫離子與氫氧根離子)存在,這與水的解離常數有關,而會導電的這些離子無法去除,導電率就不會低於 0.055µS/cm (25°C),因此比阻抗之極限值就不會大於 18.248MΩ・cm at 25°C。

理論純水比阻抗值的計算方法

完全不含電解質的水,是由 99.76 % 的 H2O 與 0.24 % 的 H2O 同位素所組成。

其存在型態,有極少部分呈解離狀態。

是根據 Truman S.Light 所求出的結果。
表中所使用的常數與變數與其它研究者或許有些不同,

但一般都是 0.055µS/cm (18.2~18.3MΩcm at 25°C)

 

 

理論純水中溫度與比阻抗間的關係

溫度 °C

ιH
Scm²/mol

ιOH
Scm²/mol

logKω
-

ρ
g/cm³

R 比阻抗
cm

0°C

224.2

127.8

14.944

0.99987

84.2

10°C

275.5

156.2

14.535

0.99973

42.9

18°C

315.6

178.8

14.236

0.99859

26.6

20°C

325.5

184.4

14.167

0.99823

23.8

25°C

349.8

197.8

13.997

0.99707

18.25

30°C

373.7

211.6

13.833

0.99567

14.1

40°C

419.5

237.2

13.535

0.99224

8.98

舉例:水溫 25°C 時,理論純水的導電率

如此就可以對理論純水的導電度進行計算。此外水的解離常數 (Ksp) 會隨著水溫而改變,因而比阻抗值會受到水溫的影響而變化,25°C 的超純水, 其比阻抗值為 18.2MΩ・cm,但在 0°C 時則為 84.2MΩ・cm,100°C 則為 1.3MΩ・cm,在25°C 附近時,溫度每上升 1°C,其比阻抗值則下降 0.84MΩ・cm。因此,純水系統與超純水系統的導電度 (比阻抗)一般會換算成水溫 25°C 來表示。 所以最乾淨的水 (超純水) 的理論比阻抗值為 18.2~18.3MΩ・cm (25°C)。

比阻抗值與導電率的關係

比阻抗值與溫度的關係

比阻抗值cm at 25°C

導電率 μS/cm at 25°C

18.248

0.055

18

0.056

15

0.067

10

0.1

1

1

0.1

10

0.025

40

0.0063

158.73

0.0032

312.5

超純水比阻抗值的重要性(與總離子濃度的關連性)

從比阻抗值來推估超純水中的離子含量時,首先應注意比阻抗計的靈敏度。
例如,當比阻抗值由 18.2 MΩ・cm 變為 18.0 MΩ・cm 時,這意味著溶液中產生相當於 0.36ppb (μg/L) 的離子濃度變化。也就是,比阻抗計的靈敏度應為 ppb 層級。
但是,離子層析與 ICP-MS 等高靈敏度分析儀器,其檢測結果卻會受到超純水中 ppt (ppb 的 1/1000) 層級的離子濃度影響。此外,除以比阻抗值來進行水質管理外,也應定期進行超純水系統的維護與離子交換樹脂桶及活性碳匣的更換。