超純水の抵抗率が無限大にならないのはなぜですか？

理想的な世界では、「完全に純粋な」水は真空のように電流に対して無限の抵抗を示し、その抵抗率は無限大に近づくはずです。しかし、最も高度な機器でこれを測定してみると、今日の最先端技術を用いても、超純水の抵抗率は無限大に近づくことがわかります。純水 超純水の抵抗率は極めて高い値ではあるものの、有限の値にとどまります。水の本来の性質と技術の限界から、超純水には理論上の最大抵抗率が存在するのです。

私たちは水分子を完全に中性であると想定して、しばしばH₂Oと表記します。しかし実際には、水分子は決してH₂Oだけを残すほど「純粋」ではありません。

水素原子と酸素原子間の共有結合は絶対的に安定しているわけではないため、水分子は「自己イオン化」と呼ばれる反応を起こします。簡単に言うと、ある水分子が別の水分子から水素原子を「奪う」のです。

2H₂O ⇌ H₃O⁺ + OH⁻

この反応は動的平衡状態にある。つまり、最も純粋な水であっても、微量のヒドロニウムイオン（H₃O⁺、略称H⁺）と水酸化物イオン（OH⁻）が常に存在している。これらのイオンは電荷キャリアとして働き、その存在によって水は導電性を持つようになる。

抵抗率（ρ）を計算する式はρ = 1/σで、σは導電率です。導電率はイオン濃度に比例します。したがって、H⁺イオンとOH⁻イオンが存在する限り、水の導電率はゼロにはならず、抵抗率も無限大にはなりません。

25℃の純水では、[H⁺] = [OH⁻] = 10⁻⁷mol/Lとなる。このイオン濃度に基づくと、理論抵抗率は約18.2 MΩ・cmとなる。この値は、理想的な条件下における超純水の理論上の限界抵抗率とみなされる。

実際のアプリケーションでは、最先端の技術（例えば、 逆浸透イオン交換、電気脱イオン、紫外線消毒などの処理方法では、水からすべての不純物イオン（Na⁺、Cl⁻、Ca⁺など）を完全に除去することはできません。水中のすべてのイオンを完全に除去できたとしても、以下の「外部物質」を完全に除去することは困難です。

空気中の二酸化炭素：これは、実験室で超純水の抵抗率が低下する主な原因の一つです。超純水は非常に強力な溶媒です。空気に触れると、二酸化炭素を急速に溶解し、炭酸を生成し、それがH⁺イオンとHCO₃⁻イオンに電離します。

CO₂ + H₂O ⇌ H₂CO₃ ⇌ H⁺ + HCO₃⁻

このプロセスによりイオン濃度が大幅に上昇し、抵抗率が18.2 MΩ・cmから1～10 MΩ・cmの範囲まで急速に低下します。したがって、真に高抵抗率の超純水を測定するには、密閉された不活性雰囲気下で行う必要があります。

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容器やパイプからの溶出：超純水を貯蔵・輸送するために使用される容器（高純度ポリエチレンやテフロン製の容器であっても）は、微量のイオンや有機物をゆっくりと溶出させ、水サンプルを汚染する可能性があります。

微生物：微生物は電荷を帯びており、その代謝によってイオン性物質を生成することもあり、水質に影響を与える。