超纯水的极限电阻率为什么是18.3MΩ*cm(25℃)

超纯水设备方案设计指南 第一章 概论(四)

众所周知,25℃时超纯水的极限电阻率为18.3MΩ*cm,那么这个数值是如何测算出来的呢?

首先我们需要明确,18.3的数值是在水温25℃且处于正常大气压状态下的超纯水电阻率极值。因为溶液的电导率和温度成正相关,温度的偏差势必影响实际状态下的超纯水极限电阻率,温度越高超纯水的极限电阻率数值越低,反之亦然。

我们可以把超纯水理解成弱电解质H2O溶解在溶剂H2O中的溶液,此时存在如下电离平衡:2H2O⇋(H3+O)+(OH-),其电离平衡常数KW=1.0*10(-14)次方。

KW=1.0*10(-14)=[H+]*[OH-],此时[H+]=[OH-]=1.0*10(-7)mol/L=1.0*10(-4)mol/m3

在超纯水极限状态下,其电导率G=Λm∞[H20]=Λm∞(H+)*[H+]+Λm∞(OH-)*[OH-],

Λm∞(H+):氢离子极限摩尔电导率,25℃时,其值为349.82S·m2·mol-1

Λm∞(OH-):氢氧根离子极限摩尔电导率,25℃时,其值为198.3S·m2·mol-1

通过计算G=349.82*10(-4)+198.3*10(-4)=538.22*10(-4)S/m=0.054812μS/cm

备注:摩尔电导率(molar conductivity) 是衡量电解质溶液中电离能力的物理量。摩尔电导率是指单位浓度的电解质溶液在单位电场强度下的电导能力。它是电解质溶液中离子迁移率(移动速率)的度量,通常用 Λm(lambda)表示,极限摩尔电导率则以Λm∞表示。

此时我们通过计算可得极限电阻率R=1/G=18.24418MΩ*CM,数值非常接近18.3,但是还是有偏差,原因是什么呢?

因为我们在计算时犯了一个常识性的错误,默认水的密度为1g/cm3。在精密计算时,这是不可忽略的因素,下表为不同温度下的水密度,25℃时水密度取值为0.997074。

不同温度下的水密度

也就是说当我们默认水密度为1(省略单位,下同)时,单位体积的离子浓度是超过实际单位体积下离子浓度的。也就是在25℃时,单位体积的离子浓度实际不是1.0*10(-4)mol/m3,而是0.997074*10(-4)mol/m3,所以实际的G∞[H20]=(349.82+198.3)*0.997074*10(-4)=0.05465162μS/cm。

R=1/G=18.2977MΩ*cm≈18.3MΩ*cm,这就是25℃时超纯水电阻率极值的由来。

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