Was ist das Oxidations-Reduktions-Potential (ORP)?

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Das Oxidations-Reduktions-Potential (ORP) oder Redox ist eine Messung, die angibt, wie oxidierend oder reduzierend eine Flüssigkeit ist. Beispielsweise kann Wasser mäßig oxidieren (wie kohlensäurehaltiges Wasser), stark oxidieren (wie chloriertes Wasser oder Wasserstoffperoxidlösung) oder reduzieren (wie eine Umgebung, in der anaerobe Mikroben aktiv sind). Kurz gesagt, Redox ist ein Maß für die Sauberkeit des Wassers und seine Fähigkeit, Verunreinigungen abzubauen. Diese Messung hat eine Vielzahl von Anwendungen, z. B. die Überprüfung der Trinkwasserversorgung auf sichere Hygiene oder die Überwachung der Eignung für anaerobe mikrobielle Prozesse.

Was sind Oxidation und Reduktion?

Oxidation und Reduktion sind verwandte chemische Prozesse, die sich auf den Austausch von Elektronen in einer Reaktion beziehen. Oxidation bezieht sich darauf, wenn eine Chemikalie Elektronen verliert. Reduktion bezieht sich darauf, wann eine Chemikalie Elektronen gewinnt, also ist Reduktion das Gegenteil von Oxidation. Sowohl Oxidation als auch Reduktion können in derselben Reaktion stattfinden, weshalb Reaktionen, die Oxidation und Reduktion beinhalten, häufig als Redoxreaktionen bezeichnet werden.

Betrachten wir als Beispiel die Reaktion von Sauerstoffgas mit Wasserstoffgas zu Wasser:

O2 + 2H2 — 2H2O

Wenn wir uns das Wassermolekül genauer ansehen und es als (H +) 2 (O-2) schreiben, kann es als eine Kombination von zwei Ionen, O-2 und H +, angesehen werden, die elektrische Ladungen haben, weil sie Elektronen gewonnen oder verloren haben:

2H+ + O-2 — (H+)2(O-2)

Elektronen haben eine negative Ladung, so dass das Sauerstoffatom im Wassermolekül zwei Elektronen gewonnen hat, um eine Ladung von –2 zu erhalten:

O + 2e- — O-2

Bei der obigen Reaktion wurde das Sauerstoffatom reduziert, weil es Elektronen gewann.

Jedes der beiden Wasserstoffatome im Wassermolekül verlor ein Elektron und erhielt eine Ladung von +1:

H2 — 2H+ + 2e-

Bei dieser Reaktion wurden die Wasserstoffatome oxidiert, weil sie jeweils ein Elektron verloren.

ReaktionOxidation oder Reduktion?
O + 2e- — O-2Das Sauerstoffatom gewinnt Elektronen.

Das Sauerstoffatom wird reduziert.
H — H+ + e-Das Wasserstoffatom verliert ein Elektron. Das Wasserstoffatom wird oxidiert.
O2 + 2H2 –2H2ODie Sauerstoffatome werden reduziert. Die Wasserstoffatome werden oxidiert.

Bei der Reaktion von Sauerstoff und Wasserstoffgas zu Wasser nimmt der Sauerstoff Elektronen aus dem Wasserstoff auf, sodass wir sagen können, dass der Wasserstoff durch den Sauerstoff oxidiert wird. Ebenso können wir auch sagen, dass der Sauerstoff durch den Wasserstoff reduziert wird.

Einige übliche Oxidationsprozesse umfassen die Zersetzung organischer Stoffe und die Umwandlung von Eisen in Rost (Eisenoxid).

Elektronen und die Redox-Skala

Aus der obigen Diskussion könnte man erraten, woher das Wort „oxidieren“ kommt. Sauerstoffgas kann sehr gut Elektronen von anderen Atomen aufnehmen, und dies ist in der Tat die häufigste Art von Oxidationsprozess, der in der Umwelt stattfindet. Daraus könnte man auch annehmen, dass eine Umgebung, die Sauerstoffgas enthält, eine oxidierende Umgebung ist. In einer solchen Umgebung wird Eisen zu Rost und es kann zu aerober Atmung kommen.

Man könnte auch vermuten, dass eine reduzierende Umgebung eine Umgebung ohne Sauerstoffgas ist. Eine solche Umgebung umfasst häufig gelöste Gase, die Produkte anaerober Aktivität sind, wie Methan, Schwefelwasserstoff und Wasserstoff.

Chemikalien (wie Sauerstoff), die Elektronen von anderen Verbindungen aufnehmen, werden als Oxidationsmittel bezeichnet, und Substanzen (wie Methan oder Wasserstoff), die Elektronen abgeben, werden als Reduktionsmittel bezeichnet.

Das Ausmaß, in dem eine Flüssigkeit oxidiert oder reduziert (dargestellt durch Redox), hängt von der Anwesenheit und Stärke verschiedener Oxidations- und Reduktionsmittel ab. ORP kann auch als Darstellung der Verfügbarkeit von Elektronen angesehen werden. Da Reduktionsmittel Elektronen abgeben, ist eine reduzierende Umgebung eine Umgebung, in der Elektronen relativ verfügbar sind. Im Gegensatz dazu ist eine oxidierende Umgebung eine Umgebung, in der Elektronen relativ nicht verfügbar sind.

Redox wird als elektrisches Potential (Spannung) ausgedrückt. Im Allgemeinen wird eine reduzierende Umgebung durch einen negativen Messwert angezeigt, und eine oxidierende Umgebung wird durch einen positiven Messwert angezeigt. Die gebräuchlichste Einheit zum Ausdrücken von Redoxpotential ist der Millivolt (mV), und die meisten Messgeräte können Werte zwischen -1000 mV und +1000 mV anzeigen. Je extremer der negative oder positive Wert ist, desto stärker wird die Flüssigkeit reduziert oder oxidiert.

orp_range

Unterschiedliche Oxidations-Reduktions-Prozesse und -Bedingungen weisen unterschiedliche Redoxwerte auf, wobei aerobe Bedingungen höhere Redoxwerte und anaerobe Bedingungen niedrigere Redoxwerte aufweisen.

Anwendungen der Redoxmessung

Eine der größten Anwendungen von Redox ist die Wasserdesinfektion. In kommunalen Trinkwasserversorgungen werden beispielsweise starke Oxidationsmittel wie Chlor verwendet, um Bakterien und andere Mikroben abzutöten und deren Wachstum in Wasserversorgungsleitungen zu verhindern. Höhere Redoxwerte sind mit höheren Konzentrationen des Desinfektionsmittels verbunden, daher wird ORP zur Überwachung und Kontrolle des Desinfektionsmittelgehalts in der Wasserversorgung verwendet. In Schwimmbädern und Spas werden Desinfektionsmittel verwendet, um Mikroben abzutöten, die Krankheiten übertragen können. In Außenpools und Kühltürmen werden auch Desinfektionsmittel eingesetzt, um das Algenwachstum zu verhindern.

ORP wird auch zur Überwachung und Kontrolle vieler Oxidations-Reduktions-Reaktionen in industriellen Prozessen verwendet. Beispielsweise wird in automatisierten Industriesystemen Redox häufig verwendet, um einen geringen Überschuss an oxidierenden Chemikalien wie Chlor, Wasserstoffperoxid und Ozon oder reduzierenden Chemikalien wie Schwefeldioxid und Natriumsulfit aufrechtzuerhalten.

Bei der Abwasserbehandlung wird ORP verwendet, um die Arten der auftretenden mikrobiellen Prozesse zu bestimmen und den Bedienern bei der Verwaltung des Behandlungssystems zu helfen, indem bestimmte Reaktionen gefördert oder verhindert werden. Beispielsweise kann ORP in verschiedenen Teilen eines Systems gesteuert werden, um organische Stoffe zu verdauen, Nitrat oder Phosphor zu entfernen und Gerüche zu kontrollieren.

Da niedrige ORP-Werte auf anaerobe Bedingungen hinweisen, kann ORP verwendet werden, um anaerobe mikrobielle Aktivität in der Umwelt wie in der Wassersäule oder im Sediment nachzuweisen. ORP kann auch verwendet werden, um die Bodensättigung anzuzeigen, was es für die Kartierung von Feuchtgebieten nützlich macht [1].

In anderen Umweltanwendungen können Redox-Messungen als Erweiterung der Skala für gelösten Sauerstoff (DO) angesehen werden [1]. Sauerstoffmessgeräte können den Bereich der aeroben Bedingungen abdecken, sie können jedoch nicht anzeigen, wie stark eine anaerobe Umgebung ist. Die Redox-Skala deckt dagegen einen weiten Bereich reduzierender Bedingungen ab. Aus diesem Grund kann ORP Einblicke in die Chemie anaerober Umgebungen geben, z. B. in die Art der mikrobiellen Prozesse in Sedimenten oder in Reaktionen mit Schadstoffen in kontaminierten Grundwasserleitern.

ORP kann auch in Verbindung mit Membran-DO-Sensoren verwendet werden, um Bedingungen zu identifizieren, bei denen die DO-Messungen fehlerhaft sein können [1]. Unter anaeroben Bedingungen können DO-Sensoren vom Membrantyp falsche Messwerte liefern, wenn Sulfide vorhanden sind. Wenn die Redox-Messung anaerobe Bedingungen anzeigt, sollten positive Sauerstoffmessungen dieser Sensortypen als verdächtig angesehen werden.

Fazit

ORP ist eine schnelle und kostengünstige Messung der oxidierenden und reduzierenden Bedingungen in einer Umgebung oder einem System. Dies macht die Redoxmessung für eine Vielzahl von Industrie- und Umweltanwendungen geeignet, bei denen die Oxidations- und Reduktionsbedingungen variieren. ORP ist besonders nützlich für Routine- oder kontinuierliche Überwachungssituationen, in denen langsamere und teurere chemische Tests nicht so praktisch wären.

Verweise

[1] U.S. Environmental Protection Agency (2017) Field measurement of oxidation reduction potential (ORP). SESDPROC-113-R2.