Potenziale redox: calcolo e misura

Il potenziale redox (ORP) è un parametro che descrive il livello di ossidazione (ossidazione) e la riduzione di una sostanza. In altre parole, è la capacità di donare o ricevere elettroni come risultato dell'interazione di elementi chimici, a seconda della natura dei processi e delle condizioni delle reazioni.

Breve descrizione

Potenziale redox: un concetto che riflette in misura maggiore l'abilità rispetto alla condivisione (attività). Il potenziale energetico è l'energia che si accumula ed è pronta per l'uso in qualsiasi momento. Nel momento in cui saranno utilizzati tutti i composti chimici che possono essere sottoposti all'ossidazione e alla riduzione, il sistema raggiunge uno stato di equilibrio. Molto spesso, in tali casi, rimane una certa energia in eccesso, che costituisce il potenziale di riduzione o ossidazione della soluzione.

La formazione di ruggine è un tipico esempio di un processo di ossidazione / riduzione. Gli elementi coinvolti in questo processo subiscono cambiamenti chimici. L'ossigeno si combina con il ferro per formare l'ossido di ferro (meglio noto come ruggine): il ferro subisce l'ossidazione e l'ossigeno si riduce. Di conseguenza, il potenziale redox del sistema "Fe / O ₂ " diventa equilibrio.

Acqua ORP

L'acqua potabile pura è un fattore molto importante nella vita, che è spesso dimenticato. Sfortunatamente, ci sono pochissime fonti di acqua assolutamente pura che danno vita, prodotte su scala industriale per fornire insediamenti umani. Pertanto, l'acqua che entra nel sistema di approvvigionamento idrico deve essere pulita e disinfettata. Come si è scoperto, è possibile utilizzare le proprietà dell'ORP.

Il potenziale redox dell'acqua è misurato in minivolt (mV). Questo parametro indica l'attività dei disinfettanti e non la sua concentrazione, espressa in ppm. Composti chimici - cloro, bromo, perossido di idrogeno, acido peracetico o ozono - sono agenti ossidanti altamente efficaci (ma non sempre sicuri).

Sono in grado di ossidare ("selezionare") elettroni da altri composti chimici e quindi sono eccellenti disinfettanti. Provocando cambiamenti nello stato chimico di agenti patogeni, alghe nocive e altre sostanze organiche, il disinfettante li uccide. In pratica, ciò significa che l'acqua decontaminata con un livello di pH adeguato non solo può distruggere i batteri dannosi, ma anche auto-pulirsi da essi.

Standard di sicurezza

Nel 1972, l'Organizzazione mondiale della sanità (OMS) nei regolamenti relativi agli standard dell'acqua potabile ha rilevato che con un AFP di 650 mV, l'acqua è considerata disinfettata e l'inattivazione dei virus avviene quasi istantaneamente. Gli studi hanno dimostrato che se il potenziale redox è di 650 mV, i batteri di E. coli vengono distrutti all'istante o entro pochi secondi. Per la distruzione di microrganismi più resistenti, come Listeria, Salmonella, lievito e funghi, è necessario che l'ORP sia 750 mV o superiore.

Come misurare l'ORP

In pratica, la misurazione del potenziale redox viene effettuata con dispositivi speciali. Il principio di funzionamento del dispositivo che registra l'ORP si basa sulla misurazione della tensione (in minivolt, mV) in un circuito elettrico formato da un elettrodo d'argento (polo negativo) e un elettrodo a nastro di platino (polo positivo). Possono anche essere usati altri materiali, come grafite e carbonio di vetro. Gli elettrodi del dispositivo sono posti in una soluzione acquosa e quindi vengono prese le letture.

Viene misurata una tensione molto piccola (mV), che viene creata quando un metallo viene posto in acqua contenente sostanze ossidanti e riducenti. Questi valori di stress caratterizzano il potenziale degli ossidanti contenuti in un liquido.

Possibili limitazioni

Non è possibile misurare accuratamente il potenziale redox standard, quindi, in pratica, il valore ORP della coppia redox studiata viene misurato rispetto a qualsiasi mezza reazione standard di confronto e un elettrodo creato sulla base (elettrodo di riferimento). Una mezza reazione standard deve essere reversibile e l'elettrodo di riferimento deve avere un potenziale costante e riproducibile e avere una struttura abbastanza semplice.

Potenziali degli elettrodi Redox

L'elettrodo di idrogeno standard costituito da una striscia di platino ricoperta da uno strato di platino sottile (nero di platino) e immerso in una soluzione salina viene adottato dalla comunità scientifica come elettrodo di riferimento universale per misurare l'ORP. acido (solforico) con l'attività dell'elemento chimico ioni di idrogeno, pari a uno: a _H ⁺ = 1 .

Il platino viene lavato dall'idrogeno gassoso sotto pressione di 101,3 kPa (o 1 atm), che viene sorbito sulla superficie porosa del nero platino. Denotato dall'elettrodo di idrogeno standard: Pt (H ₂ ) (p = 1 atm) HCl (a _H ⁺ = 1) .

Sulla superficie di un elettrodo funzionante in modo reversibile, si verifica una reazione a metà: 2 ⁺ + 2 ° ↔ Í ₂ ↑ . Potenziale, che è convenzionalmente accettato a zero a qualsiasi temperatura: E di _SHE = 0 . Va notato che SHE non è un elettrodo redox, ma si riferisce ai cosiddetti elettrodi del primo tipo. Il loro potenziale dipende dall'attività di alcuni cationi - nell'esempio mostrato, sull'attività dei cationi dell'idrogeno.

Reazioni redox

La IAD è chiamata la reazione con un cambiamento nel grado di ossidazione delle sostanze che reagiscono. Con questo cambiamento stati di ossidazione si verifica con l'attaccamento / rilascio di elettroni. I processi di addizione e rinculo degli elettroni sono considerati dagli scienziati come mezze reazioni di riduzione e ossidazione, rispettivamente:

• aOK ₁ + ne ò sOc ₁ (recupero);
• bBoc ₂ - ne ↔ dOk ₂ (ossidazione).

In ogni mezza reazione, un elemento con un grado più elevato di ossidazione è chiamato forma ossidata (OK), e in un grado inferiore di ossidazione, la forma ridotta (Boc). Le forme ossidate / ridotte di una sostanza sono una coppia redox coniugata chiamata coppia redox. Nella coppia redox, la forma ossidata (OK) è un accettore di elettroni, la forma ridotta (Boc) è un tipo di donatore di elettroni. Le mezze reazioni di riduzione / ossidazione non sono fattibili separatamente - se è presente un donatore di elettroni, deve essere presente anche un accettore.

ORP standard

Se il potenziale della coppia redox studiata viene misurato in condizioni standardizzate, la temperatura è di 25 ^ᵒ С (298 K), la pressione è di 1 atm (101,3 kPa) e l'attività delle forme ossidate e ridotte è uguale a uno ( a _ok = a _sun = 1 mol / l ) è chiamato "potenziale redox standard" ed è designato come: E ⁰ _{approx / Vos} .

Tavolo potenziale

Le serie di potenziali redox standard di coppie redox da parte di scienziati hanno misurato in pratica. I loro valori in volt sono visualizzati da una tabella di potenziali redox:

Valori di decodifica

Maggiore è il potenziale redox di E ⁰ _{OK / Boc} , più è ossidata la forma e, di conseguenza, la forma ridotta ha una funzione di riduzione più debole. Viceversa, il più piccolo E ⁰ _{Ok / Vos} , più forte è il modulo ripristinato.

Un segno positivo del potenziale indica una reazione di riduzione spontanea in tandem con uno SHE, uno negativo indica una reazione di ossidazione spontanea. I potenziali di agenti ossidanti forti saranno sempre positivi e gli agenti riducenti forti saranno negativi.

La tabella dei potenziali redox indica che il fluoro molecolare ha le maggiori proprietà ossidative e il magnesio metallico ha le maggiori proprietà di riduzione. a questo ioni il fluoro e il magnesio praticamente non hanno proprietà riducenti e ossidanti, rispettivamente.

Equazione di Nernst

Il potenziale del sistema dipende dai rapporti delle concentrazioni delle forme ridotte e ossidate delle sostanze coinvolte nell'interazione, dalla temperatura ambiente, dalle proprietà del solvente, dal pH della soluzione e da altri fattori. Il calcolo del potenziale redox, espresso dalla dipendenza del potenziale sulla composizione della soluzione, mostra l'equazione di Nernst:

E _{Ok / Boc} = E ⁰ _{Ok / Boc} + (RT / nF) × ln (aOk / aBoc), dove

• E _{Ok / Vos} - reale mezza reazione AFP (coppie redox).
• E ⁰ _{Ok / Vos} - mezza reazione ORP standard (coppie redox).
• n è il numero di elettroni della reazione OB.
• R = 8,314 J / mol x K (costante di gas molare).
• F = 96500 C / mol (numero di Faraday).
• T è la temperatura assoluta (in K).

Recupero e ossidazione

Le reazioni redox sono determinate dal grado di ossidazione e riduzione. L'ossidazione si riferisce ai processi quando gli atomi, le molecole o gli ioni donano elettroni. E recupero - quando gli atomi, le molecole o gli ioni acquisiscono elettroni.

Di conseguenza, gli ossidanti sono sostanze che attaccano elettroni (O ₂ , alogeni, HNO ₃ , KMnO ₄ ) e agenti riducenti che donano elettroni ad altri atomi durante il processo di ossido-riduzione (H ₂ , metalli, HI). Dando gli elettroni agli altri, gli stessi agenti riducenti sono ossidati e gli agenti ossidanti, prendendo gli elettroni dagli altri partecipanti alla reazione, sono ridotti: 2FeCl ₂ + Cl ₂ → 2FeCl ₃ .

Stato di ossidazione

Questa è la carica che un atomo in un composto chimico avrebbe se gli elettroni di ciascun legame chimico formato da esso fossero completamente spostati su un atomo più elettronegativo. Ad esempio:

• FeCl ₂ : Fe ⁺² , 2Cl ^-1 ;
• NaH: Na ⁺¹ , H ^-1 ;
• CCl ₄ : C ^{+ 4} , 4Cl ^-1 ;
• CH ₄ : C- ⁴ , 4H ⁺¹ .

OVR può includere transizioni parziali o complete di elettroni, il grado di ossidazione degli elementi cambia. Si applicano le seguenti regole:

• In una sostanza semplice, lo stato di ossidazione di un atomo sarà zero (Cl ₂ : ₂ Cl ⁰ ).
• Anche il grado di ossidazione degli atomi dalla composizione della molecola è zero.
• Il grado di ossidazione degli atomi di uno ione complesso sarà uguale alla carica dello ione.

Determinazione del potenziale redox del suolo

L'AFP influisce direttamente sulla struttura del suolo. Per misurarlo, l'elettrodo è conficcato nel terreno bagnato e il valore in mV (millivolt) viene determinato su un dispositivo speciale. Allo stesso tempo, molti processi e reazioni di ossidoriduzione delle trasformazioni degli elementi chimici attivi: materia organica, manganese, ferro, zolfo e azoto si manifestano nei terreni.

L'influenza decisiva sullo stato del suolo è esercitata dall'ossigeno in due forme: disciolto nell'umidità della terra e atmosferico. Sono in equilibrio. Anche sui processi redox stanno riducendo le sostanze dei microrganismi. I principali fattori che determinano la concentrazione e l'intensità di AFP sono:

• Il grado di umidità del suolo.
• Attività di Microflora.
• Aerazione del suolo
• Il contenuto di materia organica.

Alti livelli di AFP sono caratterizzati da terreni automorfi:

• Serozem - 350-450 mV.
• Chernozem - 400-600 mV.
• Podzol - 550-750 mV.

Quando il potenziale di irrigazione diminuisce.

Vini ORP

Nella produzione del vino, la sua caratteristica importante è il potenziale redox (redox). Controllando il potenziale redox, è possibile regolare o almeno comprendere il significato dei processi "infuria" durante la maturazione dei materiali del vino. Questi sono i processi di fermentazione, riduzione e reazioni di ossidazione.

A contatto con l'ossigeno, i sistemi auto-ossidanti cambiano, con conseguente aumento del potenziale. Di conseguenza, più lungo è lo stadio di aerazione del materiale del vino, maggiore è il suo potenziale redox. Se l'accesso all'aria viene interrotto, il potenziale diminuisce gradualmente, raggiungendo determinati valori, detti potenziali marginali. Di regola, i vini aerati hanno indicatori di 350-500 mV, vini maturati senza accesso all'aria - 100-150 mV. Più lungo è il tempo trascorso dall'imbottigliamento della bevanda alcolica in bottiglie, meno sarà il suo potenziale. È necessario aprire la bottiglia o agitare, il coefficiente mV aumenterà notevolmente.

ORP su scala cosmica

Il normale potenziale redox è stato storicamente il fattore determinante nell'evoluzione geologica della Terra e di altri corpi cosmici. L'ossidante principale nei sistemi geologici è l'ossigeno. La volatilità dell'ossigeno (fO ₂ ) è una misura dell'ossidazione dei sistemi naturali, indipendentemente dalla presenza o meno di una fase gassosa contenente ossigeno libero in essi. La volatilità dell'ossigeno controlla il comportamento di molti elementi nei processi di condensazione della nube protoplanetaria, durante l'accrescimento dei pianeti e la formazione dei loro nuclei di metallo. Questa conoscenza aiuta a prevedere la presenza di minerali.

L'uso di AFP in pratica

La misurazione dell'ORP consente di determinare l'efficacia della disinfezione dell'acqua, indipendentemente dal tipo di ossidante utilizzato o da una miscela di composti disinfettanti e altri fattori. Il risultato della misurazione informa se il processo di disinfezione è veramente efficace. La misurazione dell'acqua ORP può essere eseguita in qualsiasi punto del sistema, determinando così la purezza della fonte d'acqua, i tubi e anche l'installazione dell'impianto idraulico.

Il potenziale redox a ciascuna estremità del sistema dovrebbe essere superiore a 650 mV. Se l'ORP misurato alla fine del sistema è inferiore all'inizio del sistema, ciò indica che il sistema di erogazione dell'acqua non è stato pulito bene.

L'uso di ORP consente di trovare l'equilibrio ottimale tra pH e contenuto di cloro non legato. accuratezza strumenti di misura consente di ridurre il livello di cloro in uno in cui non vi è alcun rischio di corrosione. Ad esempio, se l'ORP è 850 mV, il livello di cloro deve essere abbassato, e nel caso in cui il valore sia 600 mV, il livello del pH e il cloro non legato devono essere controllati e, di conseguenza, regolati riducendo il pH o aumentando la presenza di cloro.

La tecnologia ORP è utilizzata in settori quali il trattamento delle acque (prima e dopo il consumo), la lavorazione dei metalli, la disinfezione di frutta e verdura fresca, l'ozonizzazione dell'acqua (acquari commerciali, disinfezione dell'acqua), la produzione di vino, la produzione di candeggina, i macelli nelle aziende avicole, l'industria della carta (sbiancamento polpa), piscine, SPA. La temperatura dell'acqua non influisce sul valore ORP.