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電解質溶液の導電率、または比導電率は、電気を伝導する能力を示す指標です。導電率のSI単位はジーメンス毎メートル（S/m）です。
導電率測定は、溶液中のイオン含有量を迅速、安価、かつ確実に測定する方法として、多くの産業および環境用途で日常的に使用されています。 [ 1 ]例えば、製品の導電率測定は、浄水システムの性能を監視し、継続的に傾向を把握するための典型的な方法です。
多くの場合、導電率は総溶解固形物量（TDS）と直接的に関連している。
高品質の脱イオン水は導電率が
これは、特定の抵抗率に相当します。
塩溶液の調製は、密閉されていないビーカーで行われることが多い。この場合、精製水の導電率は10～20倍高くなることが多い。詳細は下記を参照のこと。
一般的な飲料水の導電率は200～800μS/cmの範囲です が、海水は約50mS /cmです[ 3 ]（または0.05S /cm）。
電気伝導率は、精製トルエンの約 10E-10 S/m から、最近発見された高濃度の「塩水」溶液の約 10 S/m まで変化する。[ 4 ]
水溶液やその他の極性溶液の導電率は、従来、ホイートストンブリッジで電解質を接続することによって測定されてきた。希薄溶液は、濃度依存性とイオン寄与の加算性に関するコールラウシュの法則に従う。ラース・オンサーガーは、デバイ・ヒュッケル理論を拡張することにより、コールラウシュの法則の理論的説明を与えた。
低極性および非極性溶液の導電率は非常に低い。これも電場におけるイオンの運動に関連しているが、イオンの性質や溶媒和は異なり、その詳細は「導電率（非水系）」のページで説明されている。通常、セル定数の低いプローブを用いて低周波電場を印加することで測定される。
導電率のSI単位はS/mであり、特に断りのない限り25 ℃における値を示す。より一般的に用いられる単位はμS/cmである。
一般的に使用される標準セルの幅は 1 cmであり、したがって空気と平衡状態にある非常に純粋な水の場合、抵抗は約 10 6オームとなり、これはメガオームとして知られています。超純水では 18メガオーム以上を達成できます。そのため、過去にはメガオーム-cm が使用され、時には「メガオーム」と略されました。導電率は「マイクロジーメンス」（単位から距離項を省略）で表されることがあります。これは誤りですが、多くの場合、従来の μS/cm と等しいとみなすことができます。多くの場合、印刷上の制約により、μS/cm は μS/cm と表記されます。
導電率（μS/cm）から全溶解固形分（mg/kg）への換算値は、試料の化学組成によって異なり、0.54～0.96の範囲で変動します。通常、この換算は固形分が塩化ナトリウムであると仮定して行われます。この場合、1 μS/cmは水1kg あたり約0.64mgのNaClに相当します。
モル伝導率のSI単位はS⋅m 2 ⋅mol −1です。古い文献ではΩ −1 ⋅cm 2 ⋅mol −1という単位が使われています。
電解質溶液の電気伝導率は、一定の距離で隔てられた2 つの平面または円筒形の電極間の溶液の抵抗を測定することによって測定されます。 [ 5 ]水の電気分解を最小限に抑えるために、一般的に交流電圧が使用されます。抵抗は導電率計で測定されます。使用される典型的な周波数は 1～3 kHzの範囲です。周波数への依存性は通常小さいですが、[ 6 ]非常に高い周波数では顕著になる可能性があり、これはデバイ・ファルケンハーゲン効果として知られています。
市販されている計測機器は多種多様である。[ 7 ]最も一般的に使用されるのは、電極ベースのセンサーと誘導型センサーの 2 種類の電極センサーである。静的設計の電極センサーは、低および中程度の導電率に適しており、2 電極または 4 電極を持つさまざまなタイプがあり、電極は反対向き、平面、または円筒状に配置できる。[ 8 ]反対向きに配置された 2 つの電極間の距離を変更できる柔軟な設計の電極セルは、高い精度を提供し、高導電率媒体の測定にも使用できる。[ 9 ]誘導型センサーは過酷な化学条件に適しているが、電極センサーよりも大きなサンプル量を必要とする。[ 10 ]導電率センサーは通常、既知の導電率の KCl 溶液で校正される。電解導電率は温度に大きく依存するが、多くの市販システムには自動温度補正機能がある。多くの一般的な溶液の参照導電率の表が利用可能である。[ 11 ]
抵抗Rは電極間の距離lに比例し、試料の断面積A (上の図ではSと表記) に反比例します。比抵抗または抵抗率をρ (ロー) とすると、
実際には、導電率セルは既知の比抵抗ρ*の溶液を用いて校正されるため、個々の量lとAを正確に知る必要はなく、それらの比率だけを知っていればよい。[ 12 ]校正溶液の抵抗がR *の場合、 lとAの比率（C = l / A）として定義されるセル定数が導出される。
比伝導率κ（カッパ）は比抵抗の逆数である。
時にはコンダクタンス（抵抗の逆数）はG = 1/ Rと表記される。その場合、比コンダクタンスκ (カッパ) は
導電率は温度にも依存する。
1種類の電解質を含む溶液の比伝導率は、その電解質の濃度に依存します。したがって、比伝導率を濃度で割ると便利です。この商はモル伝導率と呼ばれ、 Λ mで表されます。
強電解質は溶液中で完全に解離すると考えられている。低濃度の強電解質溶液の導電率はコールラウシュの法則に従う。
ここで、Λ 0 mは極限モル伝導率として知られ、Kは経験定数、cは電解質濃度です。（ここで「極限」とは「無限希釈の極限」を意味します。）実際には、強電解質の観測伝導率は、十分に低い濃度、すなわち、
しかし、濃度が増加すると、導電率はもはや比例して増加しなくなります。さらに、コールラウシュは電解質の限界導電率も発見しました。
これらは、個々のイオンの限界モル伝導率である。
以下の表は、選択されたいくつかのイオンの極限モル伝導率の値を示しています。[ 13 ]
これらの結果の解釈はデバイとヒュッケルの理論に基づいており、デバイ・ヒュッケル・オンサーガー理論が得られた。[ 15 ]
ここで、AとBは、温度、イオンの電荷、溶媒の誘電率と粘度などの既知の量のみに依存する定数です。名前が示すように、これはオンサーガーによるデバイ・ヒュッケル理論の拡張です。低濃度溶液に対して非常に有効です。
弱電解質とは、完全に解離することのない電解質（イオンと中性分子が平衡状態で混在している電解質）のことです。この場合、導電率と濃度の関係が線形になる希釈限界は存在しません。むしろ、濃度が低くなるにつれて溶液はより完全に解離し、低濃度の「性質の良い」弱電解質の場合、弱電解質の解離度は濃度の平方根の逆数に比例します。
典型的な弱電解質は、弱酸と弱塩基です。弱電解質溶液中のイオン濃度は、電解質自体の濃度よりも低くなります。酸と塩基の場合、酸解離定数の値が分かれば、濃度を計算することができます。
逆平方根法則に従う一塩基酸HA（解離定数K a）の場合、濃度cの関数としての導電率の明示的な式（オストワルドの希釈法則として知られる）が得られる。
様々な溶媒は、比誘電率の比が電解質の濃度の立方根の比に等しい場合、同じ解離挙動を示す（ウォルデンの法則）。
コールラウシュの法則とデバイ・ヒュッケル・オンサーガーの式は、電解質の濃度が一定値を超えると破綻する。その理由は、濃度が増加すると陽イオンと陰イオン間の平均距離が短くなり、近接するイオン間の相互作用が増加するためである。これがイオン会合を構成するかどうかは議論の余地がある。しかし、陽イオンと陰イオンが相互作用してイオン対を形成すると仮定されることが多い。したがって、イオンA +とB−間の会合平衡に対して「イオン会合」定数Kを導出することができる。
デイヴィスはこのような計算の結果を非常に詳細に説明していますが、K は必ずしも真の平衡定数と考えるべきではなく、むしろ「イオン会合」項を含めることで、理論と実験的な導電率データの間の良好な一致の範囲を広げるのに役立つと述べています。[ 16 ]オンサーガーの扱いをより高濃度の溶液に拡張するさまざまな試みが行われてきました。[ 17 ]
比誘電率が 60 未満の溶媒におけるいわゆるコンダクタンス最小値の存在は、解釈に関して議論の的となっている。Fuoss と Kraus は、これはイオン三重項の形成によって引き起こされると示唆しており、[ 18 ]この提案は最近いくらか支持されている。[ 19 ] [ 20 ]
このトピックに関するその他の進展は、Theodore Shedlovsky [ 21 ]、E. Pitts [ 22 ] 、 R. M. Fuoss [ 23 ] [ 24 ]、Fuoss と Shedlovsky [ 25 ] 、 Fuoss と Onsager [ 26 ] [ 27 ]によって行われています。
20 世紀のオンサーガー、フオス、クラウスの先駆的な研究により、非極性液体でのイオン化が可能であり、制御可能な電気伝導率につながることが証明されました。 [ 28 ] [ 29 ] オンサーガーは、ビェルムによって予測されたイオン対の形成を考慮した、この伝導率の最初の理論を作成しました。[ 30 ]イオン対は、カチオンとアニオン間の静電引力が非常に強いため、非極性液体で発生します。この引力により、イオンは互いに接近しますが、イオン対と呼ばれる新しい実体で溶媒和層を保持します。非極性液体中のイオンの溶媒和層は、イオンのページで説明されているように、両親媒性溶質の電気的に中性の分子によって形成されます。イオン対の形成は電気伝導率の低下につながり、これはオンサーガーの理論で考慮されました。
水やアルコールなどの混合溶媒に基づく溶液の限界当量伝導率は、アルコールの種類によって最小値を持つ。メタノールの場合、最小値は 水15モル％で[ 21 ] [ 31 ] [ 32 ]、エタノールの場合は 水6モル％で最小値となる[ 33 ] 。
一般的に、イオンの移動度が増加するため、溶液の導電率は温度とともに増加します。比較のために、基準値は合意された温度で報告されます。通常は 298 K (≈ 25 °C または 77 °F) ですが、20 °C (68 °F) が使用されることもあります。いわゆる「補正済み」測定は都合の良い温度で行われますが、報告される値は、基準温度で測定されたかのように、溶液の導電率の期待値の計算値です。基本的な補正は通常、導電率が温度に対して直線的に増加し、典型的にはケルビンあたり 2% であると仮定することによって行われます。[ 34 ] [ 35 ]この値は、室温のほとんどの塩に広く適用できます。特定の溶液の正確な温度係数の決定は簡単で、機器は通常、導出された係数 (つまり 2% 以外) を適用できます。
導電率の測定温度との関係は活性化エネルギーを決定するために使用できるアレニウス式[ 36 ]を用いて
重水素化電解質の同位体効果による導電率の変化は大きい。[ 37 ]
理論的な解釈は難しいものの、測定された導電率は溶液中の導電性イオンの有無を示す良い指標であり、多くの産業で広く用いられています。[ 38 ]例えば、導電率測定は、公共水道、病院、ボイラー水、醸造など水質に依存する産業における水質監視に用いられています。この種の測定はイオン特異的ではなく、溶液の組成と導電率の挙動が分かっている場合は、総溶解固形物（TDS）の量を決定するために用いられることもあります。 [ 1 ]水の純度を判定するために行われる導電率測定は、非導電性汚染物質（多くの有機化合物はこのカテゴリーに分類される）には反応しないため、用途によっては追加の純度試験が必要となる場合があります。
TDS測定の用途は工業用途に限られません。多くの人が飲料水の純度の指標としてTDSを使用しています。さらに、淡水水槽と海水水槽の両方において、アクアリウム愛好家もTDSに関心を寄せています。多くの魚類や無脊椎動物は、溶存固形物に関して非常に狭い範囲のパラメータを必要とします。特に、淡水水槽で飼育される無脊椎動物（主にカタツムリやエビ）の繁殖を成功させるには、TDSが高く、特に塩分濃度が高い汽水が必要です。ある種の成体は淡水でよく育つかもしれませんが、幼体の場合は必ずしもそうではなく、汽水以外の水では全く繁殖しない種もあります。
導電率測定は、特定の種類のイオンの検出感度を高めるために、他の方法と組み合わせられることがあります。例えば、ボイラー水技術では、ボイラーブローダウンは「陽イオン導電率」について継続的に監視されます。これは、陽イオン交換樹脂を通過させた後の水の導電率です。これは、過剰な陽イオン（通常、水処理に使用されるアルカリ化剤由来の陽イオン）が存在する状況下で、ボイラー水中の陰イオン不純物を監視する高感度な方法です。この方法の感度は、他の陽イオンや陰イオンの移動度と比較して、H +の移動度が高いことに基づいています。陽イオン導電率以外にも、脱ガス導電率を測定するために設計された分析機器があります。これは、再沸騰または動的脱ガスによって試料から溶解した二酸化炭素を除去した後の導電率を測定するものです。
導電率検出器はイオンクロマトグラフィーでよく使用されます。[ 39 ]
室温の電気化学実験室環境における精製蒸留水の電子伝導率は、通常0.05～ 1μS/cmの範囲です。塩溶液の調製中に、密閉されていないビーカーに水を保存することによるガス吸収などの環境要因によって、伝導率は0.055μS /cmから0.5～1μS/cmの範囲に急激に上昇する可能性があります 。
塩水溶液の調製時に蒸留水を加熱すると、塩を加えなくても導電率が上昇する。しかし、この点はしばしば考慮されていない。
ドラフトチャンバー内で密閉されていないビーカーを用いて行う典型的な実験では、精製水の導電率は通常、1 μS/cm未満の値から95 °Cで3.5 μS/cm に近い値まで非線形的に増加します。この温度依存性は、特に希薄な塩溶液において考慮する必要があります。
