Redox potenciál: výpočet a měření

Redox potenciál (ORP) je parametr, který popisuje úroveň oxidace (oxidace) a redukci látky. Jinými slovy, je to schopnost darovat nebo přijímat elektrony jako výsledek interakce chemických prvků v závislosti na povaze procesů a podmínkách reakcí.

Stručný popis

Redox potenciál - koncept ve větší míře odrážející schopnost než podíl (aktivita). Energetický potenciál je energie, která se hromadí a je kdykoli připravena k použití. V okamžiku, kdy budou použity všechny chemické sloučeniny, které mohou být vystaveny oxidaci a redukci, se systém dostane do stavu rovnováhy. Nejčastěji v takových případech zůstává určitá přebytečná energie, která vytváří redukční nebo oxidační potenciál řešení.

Tvorba rzi je typickým příkladem procesu oxidace / redukce. Prvky obsažené v tomto procesu podléhají chemickým změnám. Kyslík kombinuje se železem a vytváří oxid železa (lépe známý jako rez): žehlička podléhá oxidaci a kyslík je snížen. V důsledku toho se redoxní potenciál systému "Fe / O ₂ " stává rovnováhou.

ORP voda

Čistá pitná voda je velmi důležitým faktorem života, který je často zapomenut. Bohužel existuje jen velmi málo absolutně čistých zdrojů pitné vody poskytující život, vyráběné v průmyslovém měřítku pro zajištění lidských osad. Proto musí být voda, která vstupuje do vodovodního systému, vyčištěna a dezinfikována. Jak se ukázalo, můžete použít vlastnosti ORP.

Redoxní potenciál vody se měří v minivoltech (mV). Tento parametr označuje aktivitu dezinfekčních prostředků a ne jejich koncentraci vyjádřenou v ppm. Chemické sloučeniny - chlor, brom, peroxid vodíku, kyselina peroctová nebo ozon - jsou vysoce účinnými oxidačními činidly (ale ne vždy bezpečnými).

Jsou schopné oxidovat ("vybírat") elektrony z jiných chemických sloučenin a jsou tedy vynikající dezinfekční prostředky. Tím, že způsobí změny v chemickém stavu patogenů, škodlivých řas a jiné organické hmoty, dezinfekční látka je zabije. V praxi to znamená, že dekontaminovaná voda s vhodnou úrovní pH může nejen zničit škodlivé bakterie, ale také sama od nich vyčistit.

Bezpečnostní standardy

V roce 1972 Světová zdravotnická organizace (WHO) v nařízeních týkajících se standardů pitné vody zjistila, že při AFP 650 mV je voda považována za dezinfikovanou a inaktivace virů se vyskytuje téměř okamžitě. Studie ukázaly, že pokud je redox potenciál 650 mV, bakterie E. coli jsou okamžitě nebo během několika sekund zničeny. Pro zničení odolnějších mikroorganismů, jako je Listeria, Salmonella, kvasinky a plísně, je nezbytné, aby ORP činil 750 mV nebo vyšší.

Jak měřit ORP

V praxi se měření redoxního potenciálu provádí pomocí speciálních zařízení. Princip fungování zařízení, který registruje ORP, je založen na měření napětí (v minivoltech, mV) v elektrickém obvodu tvořeném stříbrnou elektrodou (záporným pólem) a platinovou páskovou elektrodou (kladný pól). Lze použít i jiné materiály, jako je grafit a skleněný uhlík. Elektrody zařízení se umístí do vodného roztoku a odečtou se odečty.

Je měřeno velmi malé napětí (mV), které se vytváří, když je kov umístěn ve vodě obsahující oxidační a redukční látky. Tyto hodnoty napětí charakterizují potenciál oxidantů obsažených v kapalině.

Možné omezení

Není možné přesně měřit standardní redoxní potenciál, a proto se v praxi měří hodnota ORP studovaného redoxního páru ve vztahu ke každé standardní polovině reakce porovnání a elektrodě vytvořené na jejím základě (referenční elektroda). Standardní polovina reakce musí být reverzibilní a referenční elektroda musí mít konstantní a reprodukovatelný potenciál a má poměrně jednoduchou strukturu.

Redox potenciály elektrody

Standardní vodíková elektroda sestávající z platinového proužku pokrytého vrstvou jemné platiny (platina černá) a ponořená do solného roztoku je vědeckou komunitou přijata jako univerzální referenční elektroda pro měření ORP. (kyselina sírová) s aktivitou chemických prvků ionty vodíku rovnající se jedné: a _H ⁺ = 1 .

Platina se promyje plynným vodíkem pod tlakem 101,3 kPa (nebo 1 atm), který je sorbed na porézním povrchu platinové černi. Označeno standardní vodíkovou elektrodou: Pt (H2) (p = 1 atm) HCl (a _H ⁺ = 1) .

Na povrchu takové reverzibilně pracující elektrody nastává polovina reakce: 2H + 2e ↔ H ₂ ↑ . Potenciál, který je běžně přijímán při nulové teplotě při jakékoliv teplotě: E _SHE = 0 . Je třeba poznamenat, že SHE není redoxní elektrodou, ale odkazuje na tzv. Elektrody prvního druhu. Jejich potenciál závisí na účinnosti některých kationtů - v uvedeném příkladu na aktivitu kationtů vodíku.

Redox reakce

IAD se nazývá reakce se změnou stupně oxidace reakčních látek. S touto změnou oxidačních stavů dochází při připojení / uvolňování elektronů. Způsoby přidávání a zpětného rázu elektronů považují vědci za polovinu reakcí redukce a oxidace:

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

V každé polovině reakce se prvek s vyšším stupněm oxidace nazývá oxidovaná forma (OK) a v nižším stupni oxidace je redukovaná forma (Boc). Oxidované / redukované formy látky jsou konjugované redoxní dvojice nazývané redoxní dvojice. V redoxním páru je oxidovaná forma (OK) akceptor elektronu, redukovaná forma (Boc) je druh elektronového dárce. Redukční / oxidační poloviční reakce nejsou proveditelné odděleně - pokud je přítomen donor elektronů, musí být přítomen také akceptor.

Standardní ORP

Pokud je potenciál studovaného redoxního páru měřen za standardizovaných podmínek, je teplota 25 ^° C (298 K), tlak je 1 atm (101,3 kPa) a aktivita oxidovaných a redukovaných forem se rovná jedné ( _ok = _slunce = 1 mol / l ) nazývá se "standardní redox potenciál" a je označen jako: E ⁰ _{cca / Vos} .

Potenciální tabulka

Standardní redox potenciální sady redoxních párů od vědců měřených v praxi. Jejich hodnoty ve voltech jsou zobrazeny tabulkou redox potenciálů:

Dekódování hodnot

Čím větší je redox potenciál E0 _{OK / Boc} , tím je oxidovaná forma a redukovaná forma má slabší redukční funkci. Naopak menší E ⁰ _{Ok / Vos} , tím silnější je obnovený formulář.

Pozitivní znamení potenciálu naznačuje spontánní redukční reakci v tandemu s SHE, negativní znamená spontánní oxidační reakci. Potenciály silných oxidačních činidel budou vždy pozitivní a silné redukční látky budou negativní.

Tabulka redox potenciálů naznačuje, že molekulární fluor má největší oxidativní vlastnosti a kovový hořčík má největší redukční vlastnosti. S tyto ionty fluor a hořčík prakticky nemají redukční a oxidační vlastnosti.

Rovnice Nernst

Potenciál systému závisí na poměrech koncentrací redukovaných a oxidovaných forem látek, které se podílejí na interakci, na teplotě okolí, na vlastnostech rozpouštědla, na pH roztoku a na dalších faktorech. Výpočet redoxního potenciálu, vyjádřený závislostí potenciálu na složení roztoku, ukazuje rovnici Nernst:

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

• E _{Ok / Vos} - skutečná polovina reakce AFP (redoxní páry).
• E ⁰ _{Ok / Vos} - standardní ORP polovina reakce (redoxní páry).
• n je počet elektronů OB reakce.
• R = 8,314 J / mol x K (molární plynová konstanta).
• F = 96500 C / mol (Faradayovo číslo).
• T je absolutní teplota (v K).

Zotavení a oxidace

Redoxní reakce se určují stupněm oxidace a redukce. Oxidace se týká procesů, kdy atomy, molekuly nebo ionty dodávají elektrony. A zotavení - když atomy, molekuly nebo ionty získají elektrony.

Oxidátory jsou tedy látky, které připevňují elektrony (O ₂ , halogeny, HNO ₃ , KMnO ₄ ) a redukční činidla, která během redoxního procesu (H2, kovů, HI) darují elektrony jiným atomům. Dáváním elektronů jiným se redukuje samotná redukční činidla a redukují oxidační činidla, přičemž elektrony od ostatních účastníků reakce jsou redukovány: 2FeCl2 + Cl2 → 2FeCl3 .

Oxidační stav

Jedná se o náboj, který by atom měl v chemické sloučenině, kdyby elektrony každé chemické vazby, kterou tvoří, byly úplně přesunuty na více elektonergativní atom. Například:

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

OVR může zahrnovat částečné nebo úplné přechody elektronů, stupeň oxidace změn prvků. Platí následující pravidla:

• V jednoduché látce bude oxidační stav atomu nula (Cl ₂ : ₂ Cl ⁰ ).
• Stupeň oxidace atomů ze složení molekuly je také nulový.
• Stupeň oxidace atomů komplexního iontu se bude rovnat náboji iontu.

Stanovení redoxního potenciálu půdy

AFP přímo ovlivňuje strukturu půdy. Pro měření je elektroda přilepená do mokré země a hodnota v milimoltách (mV) je stanovena na speciálním zařízení. Současně se v půdách projevuje mnoho procesů a redoxních reakcí transformací aktivních chemických prvků: organická hmota, mangan, železo, síra a dusík.

Rozhodující vliv na stav půdy vyvíjí kyslík ve dvou formách: rozpuštěný ve vlhkosti země a atmosférický. Jsou v rovnováze. Také na redoxních procesech jsou redukované látky mikroorganismů. Hlavní faktory určující zaměření a intenzitu AFP jsou:

• Stupeň vlhkosti půdy.
• Aktivita mikroflóry.
• Odvzdušnění půdy.
• Obsah organické hmoty.

Vysoké úrovně AFP jsou charakterizovány automorfními půdami:

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

Když potenciál zavlažování klesá.

ORP vína

Při výrobě vína je jeho významnou vlastností redox (redox) potenciál. Řízením redoxního potenciálu je možné regulovat nebo alespoň porozumět významu procesů "zuřivosti" během dozrávání víno. Jedná se o procesy fermentace, redukce a oxidační reakce.

Při kontaktu s kyslíkem dochází ke změně vlastních oxidačních systémů, což vede ke zvýšení potenciálu. Podle toho, čím delší je fáze větrání vína, tím vyšší je jeho redox potenciál. Pokud je přístup k vzduchu zastaven, potenciál se postupně snižuje a dosahuje určitých hodnot, nazývaných okrajový potenciál. Pěnové víno má zpravidla ukazatele 350-500 mV, vína zralá bez přístupu vzduchu - 100-150 mV. Čím delší doba uplyne od naplnění alkoholického nápoje do lahví, tím méně bude jeho potenciál. Je třeba otevřít láhev nebo protřepat, koeficient mV se dramaticky zvýší.

ORP v kosmickém měřítku

Normální potenciál redoxu byl historicky rozhodujícím faktorem v geologickém vývoji Země a dalších kosmických těles. Hlavním oxidačním činidlem v geologických systémech je kyslík. Viskozita kyslíku (fO ₂ ) je měřítkem oxidace přírodních systémů, bez ohledu na přítomnost nebo nepřítomnost plynné fáze obsahující volné kyslík v nich. Viskozita kyslíku řídí chování mnoha prvků v procesech kondenzace protoplanetárního mraku během akrece planet a vytváření jejich kovových jader. Tato znalost pomáhá předpovídat přítomnost minerálů.

Použití AFP v praxi

Měření ORP umožňuje stanovit účinnost dezinfekce vody bez ohledu na typ použitého okysličovadla nebo na směs dezinfekčních látek a dalších faktorů. Výsledek měření informuje, zda je dezinfekční proces skutečně účinný. Měření vody ORP může být provedeno v jakémkoli místě systému, čímž se určuje čistota zdroje vody, potrubí a také instalace instalace.

Redox potenciál na každém konci systému by měl být vyšší než 650 mV. Pokud je hodnota ORP měřená na konci systému menší než na začátku systému, znamená to, že systém zásobování vodou nebyl dobře vyčištěn.

Použití ORP vám umožňuje najít optimální rovnováhu mezi pH a obsahem nevázaného chloru. Přesnost měřicí přístroje umožňuje snížit hladinu chlóru na hodnotu, při níž nedochází ke korozi. Například, je-li ORP 850 mV, měla by být hladina chloru snížena a v případě, kdy je hodnota 600 mV, měla by být kontrolována hladina pH a nevázaný chlor a odpovídajícím způsobem upraveny snížením pH nebo zvýšením přítomnosti chloru.

Technologie ORP se používá v oblastech jako je úprava vody (před a po konzumaci), kovoobrábění, dezinfekce čerstvé zeleniny a ovoce, ozonizace vody (komerční akvária, dezinfekce vody), výroba vína, výroba bělidla, jatka na drůbežích farmách, papírenský průmysl buničina, bazény, SPA. Teplota vody neovlivňuje hodnotu ORP.