Was ist ORP (Oxidations-Reduktions-Potenzial)

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

Das Oxidations-Reduktions-Potenzial (ORP) oder Redox ist eine Messung, die angibt, wie oxidierend oder reduzierend eine Flüssigkeit ist. Zum Beispiel kann Wasser mäßig oxidierend (wie belüftetes Wasser), stark oxidierend (wie gechlortes Wasser oder Wasserstoffperoxidlösung) oder reduzierend (wie eine Umgebung, in der anaerobe Mikroben aktiv sind) sein. Kurz gesagt, ORP ist ein Maß für die Sauberkeit des Wassers und seine Fähigkeit, Verunreinigungen abzubauen. Diese Messung hat eine Vielzahl von Anwendungen, wie z.B. die Überprüfung der sicheren Hygiene von Trinkwasser oder die Überwachung von Flüssigkeit auf die 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 liegt vor, wenn eine Chemikalie Elektronen verliert. Reduktion bezieht sich darauf, wenn eine Chemikalie Elektronen gewinnt, also ist Reduktion das Gegenteil von Oxidation. Sowohl Oxidation als auch Reduktion können in der gleichen Reaktion stattfinden, weshalb Reaktionen, die Oxidation und Reduktion beinhalten, oft als Redoxreaktionen bezeichnet werden.

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

O2 + 2H2 — 2H2O

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

2H+ + O-2 — (H+)2(O-2)

Elektronen haben eine negative Ladung, also hat das Sauerstoffatom im Wassermolekül zwei Elektronen gewonnen, um mit einer -2 Ladung zu enden:

O + 2e- — O-2

In der obigen Reaktion wurde das Sauerstoffatom reduziert, weil es Elektronen gewonnen hat.

Jedes der beiden Wasserstoffatome im Wassermolekül hat ein Elektron verloren und hat nun eine Ladung von +1:

H2 — 2H+ + 2e-

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

Reaktion	Oxidation oder Reduktion?
O + 2e- — O-2	Das Sauerstoffatom gewinnt Elektronen. Das Sauerstoffatom wird reduziert.
H — H+ + e-	Das Wasserstoffatom verliert ein Elektron. Das Wasserstoffatom wird oxidiert.
O2 + 2H2 –2H2O	Die Sauerstoffatome werden reduziert. Die Wasserstoffatome werden oxidiert.

Bei der Reaktion von Sauerstoff und Wasserstoffgas zu Wasser nimmt der Sauerstoff Elektronen vom Wasserstoff auf, so dass man sagen kann, dass der Wasserstoff vom Sauerstoff oxidiert wird. Ebenso kann man sagen, dass der Sauerstoff durch den Wasserstoff reduziert wird.

Zu den üblichen Oxidationsprozessen gehören die Zersetzung von organischem Material und die Umwandlung von Eisen in Rost (Eisenoxid).

Elektronen und die Redox-Skala

Aus der obigen Diskussion kann man erahnen, woher das Wort „oxidieren“ kommt. Sauerstoffgas ist sehr gut darin, Elektronen von anderen Atomen aufzunehmen, und dies ist in der Tat die häufigste Art von Oxidationsprozessen, die in der Umwelt stattfinden. Daraus könnte man auch folgern, dass eine Umgebung, die Sauerstoffgas enthält, eine oxidierende Umgebung ist. In einer solchen Umgebung wird Eisen zu Rost, und es kann aerobe Atmung auftreten.

Man könnte auch vermuten, dass eine reduzierende Umgebung eine Umgebung ohne Sauerstoffgas ist. Eine solche Umgebung enthält oft 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.

Der Grad, zu dem eine Flüssigkeit oxidierend oder reduzierend ist (dargestellt durch ORP), hängt von der Anwesenheit und Stärke verschiedener Oxidations- und Reduktionsmittel ab. ORP kann auch als ein Maß für die Verfügbarkeit von Elektronen angesehen werden. Da Reduktionsmittel Elektronen abgeben, ist eine reduzierende Umgebung eine, in der relativ viele Elektronen verfügbar sind. Im Gegensatz dazu ist eine oxidierende Umgebung eine Umgebung, in der relativ wenig Elektronen verfügbar sind.

Das ORP wird als elektrisches Potential (eine Spannung) ausgedrückt. Im Allgemeinen wird eine reduzierende Umgebung durch einen negativen Messwert und eine oxidierende Umgebung durch einen positiven Messwert angezeigt. Die gebräuchlichste Einheit für die Angabe des ORP ist das Millivolt (mV), und die meisten Messgeräte können Werte im Bereich von -1000 mV bis +1000 mV anzeigen. Je extremer der negative oder positive Wert, desto reduzierender oder oxidierender ist die Flüssigkeit.

Unterschiedliche Oxidations-Reduktions-Prozesse und Bedingungen haben unterschiedliche ORP-Werte, wobei aerobe Bedingungen höhere ORP-Werte und anaerobe Bedingungen niedrigere ORP-Werte haben. \

Anwendungen der ORP-Messung

Eine der größten Anwendungen von ORP ist in der Wasserdesinfektion. In der kommunalen Trinkwasserversorgung werden zum Beispiel starke Oxidationsmittel wie Chlor eingesetzt, um Bakterien und andere Mikroben abzutöten und deren Wachstum in den Wasserleitungen zu verhindern. Höhere ORP-Werte sind mit höheren Konzentrationen des Desinfektionsmittels verbunden, daher wird ORP zur Überwachung und Steuerung der Desinfektionsmittelmengen in der Wasserversorgung verwendet. In Schwimmbädern und Spas werden Desinfektionsmittel verwendet, um Mikroben abzutöten, die Krankheiten übertragen können. In Freibädern und Kühltürmen werden Desinfektionsmittel auch verwendet, um das Wachstum von Algen zu verhindern.

ORP wird auch zur Überwachung und Steuerung vieler Oxidations-Reduktions-Reaktionen in industriellen Prozessen verwendet. In automatisierten Industriesystemen wird ORP zum Beispiel oft verwendet, um einen leichten Überschuss an oxidierenden Chemikalien wie Chlor, Wasserstoffperoxid und Ozon oder reduzierenden Chemikalien wie Schwefeldioxid und Natriumsulfit aufrechtzuerhalten.

In der Abwasseraufbereitung wird das ORP verwendet, um die Art der auftretenden mikrobiellen Prozesse zu bestimmen und den Betreibern zu helfen, das Aufbereitungssystem zu steuern, indem bestimmte Reaktionen gefördert oder verhindert werden. Zum Beispiel kann das 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 Umgebung zu erkennen, z. B. in der Wassersäule oder im Sediment. ORP kann auch verwendet werden, um die Bodensättigung anzuzeigen, was es für die Kartierung von Feuchtgebieten nützlich macht.

In anderen Umweltanwendungen können ORP-Messungen als eine Erweiterung der Skala für gelösten Sauerstoff (DO) angesehen werden. DO-Messgeräte können den Bereich der aeroben Bedingungen abdecken, aber sie können nicht anzeigen, wie reduzierend eine anaerobe Umgebung ist. Die ORP-Skala hingegen deckt einen großen Bereich von reduzierenden Bedingungen ab. Aus diesem Grund kann ORP einen Einblick in die Chemie von anaeroben Umgebungen geben, wie z.B. die Arten von mikrobiellen Prozessen in Sedimenten oder Reaktionen mit Schadstoffen in kontaminierten Aquiferen.

ORP kann auch in Verbindung mit Membran-DO-Sensoren verwendet werden, um Bedingungen zu identifizieren, bei denen die DO-Messungen fehlerhaft sein könnten. Unter anaeroben Bedingungen können DO-Membransensoren falsche Messwerte liefern, wenn Sulfide vorhanden sind. Wenn die ORP-Messung anaerobe Bedingungen anzeigt, dann sollten positive DO-Messungen, die von diesen Sensortypen genommen werden, als verdächtig angesehen werden.

Schlussfolgerung

ORP ist eine schnelle und kostengünstige Messung der oxidierenden und reduzierenden Bedingungen in einer Umgebung oder einem System. Dies macht die ORP-Messung für eine Vielzahl von industriellen und umwelttechnischen Anwendungen geeignet, bei denen oxidierende und reduzierende Bedingungen variieren. ORP ist besonders nützlich für Routine- oder kontinuierliche Überwachungssituationen, wo langsamere und teurere chemische Tests nicht so praktisch wären.