Redoks potencial: izračun in merjenje

Redoks potencial (ORP) je parameter, ki opisuje stopnjo oksidacije (oksidacije) in redukcijo snovi. Z drugimi besedami, sposobnost darovanja ali sprejemanja elektronov je posledica interakcije kemijskih elementov, odvisno od narave procesov in pogojev reakcij.

Kratek opis

Redoks potencial - koncept, ki v večji meri odraža sposobnost kot delež (dejavnost). Energetski potencial je energija, ki se nabira in je pripravljena za uporabo kadarkoli. V trenutku, ko bodo uporabljene vse kemijske spojine, ki so lahko izpostavljene oksidaciji in redukciji, sistem doseže stanje ravnovesja. Najpogosteje v takih primerih ostane nekaj presežne energije, ki tvori redukcijski ali oksidacijski potencial raztopine.

Oblikovanje rje je tipičen primer procesa oksidacije / redukcije. Elementi, vključeni v ta proces, so podvrženi kemičnim spremembam. Kisik se združi z železom in tvori železov oksid (bolj znan kot rja): železo se oksidira in kisik se zmanjša. Posledično postane redoks potencial sistema "Fe / O ₂ " ravnovesen.

ORP voda

Čista pitna voda je zelo pomemben dejavnik v življenju, ki je pogosto pozabljena. Na žalost je zelo malo povsem čistih virov pitne vode, ki dajejo živila, proizvedenih v industrijskem obsegu za zagotavljanje človeških naselij. Zato je treba vodo, ki vstopa v vodovod, očistiti in razkužiti. Kot se je izkazalo, lahko uporabite lastnosti ORP.

Redoks potencial vode merimo v minivoltih (mV). Ta parameter označuje aktivnost razkužil in ne njegove koncentracije, izražene v ppm. Kemijske spojine - klor, brom, t vodikov peroksid, perocetna kislina ali ozon - so zelo učinkovita oksidacijska sredstva (vendar ne vedno varna).

Sposobni so oksidirati ("izbirati") elektrone iz drugih kemičnih spojin in so zato odlična razkužila. Dezinfekcijsko sredstvo jih povzroča spremembe v kemijskem stanju patogenih mikroorganizmov, škodljivih alg in drugih organskih snovi. V praksi to pomeni, da dekontaminirana voda z ustrezno pH vrednostjo ne more uničiti le škodljivih bakterij, temveč tudi samočistiti od njih.

Varnostni standardi

Leta 1972 je Svetovna zdravstvena organizacija (WHO) v uredbah o standardih za pitno vodo ugotovila, da se z AFP 650 mV voda šteje za razkuženo in da se inaktivacija virusov pojavi skoraj takoj. Študije so pokazale, da če je redoks potencial 650 mV, bakterije E. coli uničimo takoj ali v nekaj sekundah. Za uničenje bolj odpornih mikroorganizmov, kot so Listeria, Salmonella, kvas in glivice, je potrebno, da je ORP 750 mV ali več.

Kako meriti ORP

V praksi se merjenje redoks potenciala izvaja s posebnimi napravami. Načelo delovanja naprave za registracijo ORP temelji na merjenju napetosti (v minivoltih, mV) v električnem tokokrogu, ki ga tvori srebrna elektroda (negativni pol) in platinska tračna elektroda (pozitivni pol). Lahko se uporabijo tudi drugi materiali, kot sta grafit in stekleni ogljik. Elektrode naprave postavimo v vodno raztopino in nato odčitamo.

Izmeri se zelo majhna napetost (mV), ki nastane, ko se kovina postavi v vodo, ki vsebuje oksidativne in reducirne snovi. Te vrednosti napetosti označujejo potencial oksidantov v tekočini.

Možne omejitve

Standardnega redoks potenciala ni mogoče natančno izmeriti, zato se v praksi izmeri vrednost ORP preučevanega redoks para v primerjavi s katero koli standardno polovično reakcijo in elektrodo, ki je nastala na njeni osnovi (referenčna elektroda). Standardna polovična reakcija mora biti reverzibilna in referenčna elektroda mora imeti konstanten in ponovljiv potencial ter imeti dokaj preprosto strukturo.

Potencial Redox elektrode

Standardna vodikova elektroda, ki jo sestavljajo platinski trak, prekrit s plastjo fine platine (platinasta črna) in potopljena v raztopino soli, sprejme znanstvena skupnost kot univerzalna referenčna elektroda za merjenje ORP. (žveplova) kislina z aktivnostjo kemijskih elementov ionov vodika, ki je enaka eni: a _H ⁺ = 1 .

Platino speremo s plinastim vodikom pod tlakom 101,3 kPa (ali 1 atm), ki se sorbira na porozni površini platinske črne barve. Označena s standardno vodikovo elektrodo: Pt (H2) (p = 1 atm) HCl ( _H ⁺ = 1) .

Na površini tako reverzibilno delujoče elektrode se zgodi polovična reakcija: 2N ⁺ + 2e ₂ N ₂ ↑ . Potencial, ki se običajno sprejme pri ničli pri kateri koli temperaturi: E _SHE = 0 . Opozoriti je treba, da SHE ni redoks elektroda, ampak se nanaša na tako imenovane elektrode prve vrste. Njihov potencial je odvisen od aktivnosti določenih kationov - v prikazanem primeru o aktivnosti vodikovih kationov.

Redoks reakcije

IAD se imenuje reakcija s spremembo stopnje oksidacije reagirajočih snovi. S to spremembo oksidacijska stanja nastane s pritrditvijo / sproščanjem elektronov. Procesi dodajanja in odboja elektronov znanstveniki štejejo za polovične reakcije redukcije in oksidacije:

• aOK ₁ + ne V sOc ₁ (izterjava);
• bBoc ₂ - ne ↔ dOk ₂ (oksidacija).

V vsaki polovici reakcije se element z višjo stopnjo oksidacije imenuje oksidirana oblika (OK) in v nižji stopnji oksidacije reducirana oblika (Boc). Oksidirane / reducirane oblike snovi so konjugirani redoksni par, ki se imenuje redoksni par. V redoks paru je oksidirana oblika (OK) akceptor elektronov, reducirana oblika (Boc) je vrsta darovalca elektronov. Redukcija / oksidacijska pol-reakcija ni izvedljiva ločeno - če je prisoten elektronski donor, mora biti prisoten tudi akceptor.

Standardni ORP

Če se potencial preučevanega redoks para meri v standardiziranih pogojih, je temperatura 25 ° C (298 K), tlak je 1 atm (101,3 kPa), aktivnost oksidiranih in reduciranih oblik pa je enaka ( _ok = _sonce = 1 mol / l ) imenuje se "standardni redoks potencial" in je označen kot: E ⁰ _{pribl / Vos} .

Potencialna tabela

Standardni redoks potencialni nizi redoks parov, ki so jih znanstveniki merili v praksi. Njihove vrednosti v voltih so prikazane v tabeli redoks potencialov:

Dekodiranje vrednosti

Večji kot je redoks potencial E ⁰ _{OK / Boc} , oblika je bolj oksidirana, zato ima reducirana oblika šibkejšo redukcijsko funkcijo. Nasprotno, manjši E ⁰ _{Ok / Vos} , močnejša je obnovljena oblika.

Pozitivni znak potenciala kaže spontano reakcijo redukcije v tandemu z SHE, negativna pa na spontano oksidacijsko reakcijo. Potencial močnih oksidacijskih sredstev bo vedno pozitiven, močni reducenti pa bodo negativni.

Tabela redoks potencialov kaže, da ima molekularni fluor največje oksidacijske lastnosti, kovinski magnezij pa ima največje redukcijske lastnosti. S ti ioni fluor in magnezij praktično nimata redukcijskih in oksidativnih lastnosti.

Nernstova enačba

Potencial sistema je odvisen od razmerij koncentracij reduciranih in oksidiranih oblik snovi, ki sodelujejo pri interakciji, temperature okolja, lastnosti topila, pH raztopine in drugih dejavnikov. Izračun redoks potenciala, izražen z odvisnostjo potenciala od sestave raztopine, kaže Nernstovo enačbo:

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

• E _{Ok / Vos} - realna polovična reakcija AFP (redoks parov).
• E ⁰ _{Ok / Vos} - standardna polovična reakcija ORP (redoks parov).
• n je število elektronov reakcije OB.
• R = 8,314 J / mol x K (konstanto molskega plina).
• F = 96500 C / mol (Faradayova številka).
• T je absolutna temperatura (v K).

Obnova in oksidacija

Redoks reakcije se določijo s stopnjo oksidacije in redukcije. Oksidacija se nanaša na procese, ko atomi, molekule ali ioni dajejo elektrone. In obnovitev - ko atomi, molekule ali ioni nabirajo elektrone.

V skladu s tem so oksidanti snovi, ki vežejo elektrone (O ₂ , halogene, HNO ₃ , KMnO ₄ ) in reducente, ki med redoksnim procesom (H ₂ , kovine, HI) darujejo elektrone drugim atomom. Dajejo elektrone drugim, se sami reducirajo oksidirajo in oksidanti, ki vzamejo elektrone od drugih udeležencev v reakciji, se zmanjšajo: 2FeCl2 + Cl2 → 2FeCl3 .

Stanje oksidacije

To je naboj, ki bi ga imel atom v kemični spojini, če bi se elektroni vsake kemijske vezi, ki so ga tvorili, popolnoma premaknili na bolj elektronegativni atom. Na primer:

• FeCl2: Fe ^{+ 2} , 2Cl- ¹ ;
• NaH: Na ^{+ l} , H- ¹ ;
• CCI4: C ⁺ 4,4Cl- ¹ ;
• CH4: C- ⁴ , 4H ⁺¹ .

OVR lahko vključuje delne ali popolne prehode elektronov, stopnja oksidacije elementov se spreminja. Veljajo naslednja pravila:

• V preprosti snovi bo oksidacijsko stanje atoma enako nič (Cl ₂ : ₂ Cl ⁰ ).
• Stopnja oksidacije atomov iz sestave molekule je tudi nič.
• Stopnja oksidacije atomov kompleksnega iona je enaka naboju iona.

Določanje redoks potenciala tal

AFP neposredno vpliva na strukturo tal. Da bi jo izmerili, se elektroda zatakne v mokro zemljo in vrednost v mV (milivolte) določimo na posebni napravi. Hkrati se v tleh kažejo številni procesi in redoks reakcije transformacij aktivnih kemijskih elementov: organske snovi, mangana, železa, žvepla in dušika.

Odločilen vpliv na stanje tal ima kisik v dveh oblikah: raztopljeni v vlažnosti zemlje in atmosferski. So v ravnovesju. Tudi na redoks procesih se zmanjšajo snovi mikroorganizmov. Glavni dejavniki, ki določajo osredotočenost in intenzivnost AFP, so:

• Stopnja vlage v tleh.
• Aktivnost mikroflore.
• Aeracija tal.
• Vsebnost organske snovi.

Visoke ravni AFP so značilne za avtomorfna tla:

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

Ko se namakanje zmanjša.

Vina ORP

Pri proizvodnji vina je njena pomembna značilnost redoks (redox) potencial. Z nadzorovanjem redoks potenciala je možno urediti ali vsaj razumeti pomen procesov, ki se „divjajo“ med zorenjem vinskih materialov. To so procesi fermentacijske, redukcijske in oksidacijske reakcije.

Ob stiku s kisikom se spremeni samookidajoči sistem, kar poveča potencial. V skladu s tem je večja stopnja redoksa, kolikor dlje je prezračevanje vinskega materiala. Če je dostop do zraka ustavljen, se potencial postopoma zmanjšuje in doseže določene vrednosti, imenovane mejni potencial. Praviloma imajo gazirana vina kazalnike 350-500 mV, vina, ki zorijo brez dostopa do zraka - 100-150 mV. Čim dlje bo časa od polnjenja alkoholne pijače v steklenice, manj bo potenciala. Treba je odpreti steklenico ali stresati, koeficient mV se bo dramatično povečal.

ORP na kozmični lestvici

Normalni redoks potencial je bil v preteklosti odločilni dejavnik v geološki evoluciji Zemlje in drugih kozmičnih teles. Glavni oksidant v geoloških sistemih je kisik. Hlapnost kisika (fO ₂ ) je merilo oksidacije naravnih sistemov, ne glede na prisotnost ali odsotnost plinske faze, ki vsebuje v njih prosti kisik. Nestabilnost kisika nadzoruje obnašanje mnogih elementov v procesih kondenzacije protoplanetnega oblaka, pri nabiranju planetov in nastanku njihovih kovinskih jeder. To znanje pomaga napovedati prisotnost mineralov.

Uporaba AFP v praksi

Merjenje ORP vam omogoča, da določite učinkovitost dezinfekcije vode, ne glede na vrsto uporabljenega oksidanta ali mešanico razkuževalnih spojin in drugih dejavnikov. Rezultat meritve sporoča, ali je postopek dezinfekcije resnično učinkovit. Merjenje vode ORP se lahko izvede na kateri koli točki sistema, s čimer se določi čistost vodnega vira, cevi in ​​vodovodne instalacije.

Redoks potencial na vsakem koncu sistema mora biti višji od 650 mV. Če je ORP, izmerjen na koncu sistema, manjši kot na začetku sistema, to pomeni, da sistem za oskrbo z vodo ni bil dobro očiščen.

Uporaba ORP vam omogoča, da najdete optimalno ravnovesje med pH in vsebnostjo nevezanega klora. Točnost merilnih instrumentov Omogoča zmanjšanje nivoja klora na raven, pri kateri ni nevarnosti korozije. Na primer, če je ORP 850 mV, je treba raven klora znižati, v primeru, ko je vrednost 600 mV, preveriti pH in nevezani klor in ga ustrezno prilagoditi z zmanjšanjem pH ali povečanjem prisotnosti klora.

Tehnologija ORP se uporablja na področjih, kot so čiščenje vode (pred in po porabi), obdelava kovin, razkuževanje sveže zelenjave in sadja, ozonizacija vode (komercialni akvariji, dezinfekcija vode), proizvodnja vina, proizvodnja belil, klavnice na perutninskih farmah, papirna industrija (beljenje) pulpa), bazeni, SPA. Temperatura vode ne vpliva na vrednost ORP.