Wat is ORP (Oxidatie-Reductie Potentiaal)

Wat is Oxidatie-Reductie Potentiaal (ORP)?

Oxidatie-reductie potentiaal (ORP) of redox is een meting die aangeeft hoe oxiderend of reducerend een vloeistof is. Water kan bijvoorbeeld matig oxiderend zijn (zoals luchtig water), sterk oxiderend (zoals chloorwater of waterstofperoxide-oplossing), of reducerend (zoals een omgeving waar anaërobe microben actief zijn). Kortom, ORP is een maat voor de zuiverheid van het water en het vermogen ervan om verontreinigende stoffen af te breken. Deze meting heeft een verscheidenheid aan toepassingen, zoals het controleren op veilige hygiëne van drinkwater of het monitoren van vloeistof voor de geschiktheid voor anaerobe microbiële processen.

Wat zijn oxidatie en reductie?

Oxidatie en reductie zijn verwante chemische processen die verwijzen naar de uitwisseling van elektronen in een reactie. Oxidatie verwijst naar wanneer een chemische stof elektronen verliest. Reductie is wanneer een chemische stof elektronen wint, dus reductie is het tegenovergestelde van oxidatie. Zowel oxidatie als reductie kunnen in dezelfde reactie optreden, en daarom worden reacties met oxidatie en reductie vaak redoxreacties genoemd.

Als voorbeeld nemen we de reactie van zuurstofgas met waterstofgas tot water:

O2 + 2H2 — 2H2O

Als we het watermolecuul van dichterbij bekijken en het schrijven als (H+)2(O-2), kan het worden gezien als een combinatie van twee ionen, O-2 en H+, die elektrische ladingen hebben omdat ze elektronen hebben gewonnen of verloren:

2H+ + O-2 — (H+)2(O-2)

Elektronen hebben een negatieve lading, dus het zuurstofatoom in het watermolecuul heeft twee elektronen gewonnen en heeft uiteindelijk een lading van -2:

O + 2e- — O-2

In de bovenstaande reactie is het zuurstofatoom gereduceerd omdat het elektronen heeft gewonnen.

Elk van de twee waterstofatomen in het watermolecuul verloor een elektron om te eindigen met een +1 lading:

H2 — 2H+ + 2e-

In deze reactie werden de waterstofatomen geoxideerd, omdat ze elk een elektron verloren.

Reactie	Oxidatie of Reductie?
O + 2e- — O-2	Het zuurstofatoom krijgt elektronen. Het zuurstofatoom wordt gereduceerd.
H — H+ + e-	Het waterstofatoom verliest een elektron. Het waterstofatoom is geoxideerd.
O2 + 2H2 –2H2O	De zuurstofatomen worden gereduceerd. De waterstofatomen worden geoxideerd.

In de reactie van zuurstof en waterstofgas om water te vormen, neemt de zuurstof elektronen van de waterstof aan, dus kunnen we zeggen dat de waterstof door de zuurstof wordt geoxideerd. Op dezelfde manier kunnen we zeggen dat de zuurstof wordt gereduceerd door de waterstof.

Veel voorkomende oxidatieprocessen zijn de afbraak van organisch materiaal en de omzetting van ijzer in roest (ijzeroxide).

Elektronen en de ORP-schaal

Uit de bovenstaande discussie zou men kunnen raden waar het woord “oxideren” vandaan komt. Zuurstofgas is zeer goed in het opnemen van elektronen van andere atomen, en dit is inderdaad het meest voorkomende type oxidatieproces dat in het milieu voorkomt. Hieruit kunnen we ook afleiden dat een omgeving die zuurstofgas bevat een oxiderende omgeving is. In een dergelijk milieu zal ijzer in roest veranderen en kan aërobe ademhaling optreden.

Een reducerend milieu is een milieu zonder zuurstofgas. Een dergelijk milieu bevat vaak opgeloste gassen die producten zijn van anaërobe activiteit, zoals methaan, waterstofsulfide en waterstof.

Substanties (zoals zuurstof) die elektronen van andere verbindingen accepteren, worden oxiderende stoffen genoemd, en stoffen (zoals methaan of waterstof) die elektronen afstaan, worden reducerende stoffen genoemd.

De mate waarin een vloeistof oxiderend of reducerend is (weergegeven door ORP), hangt af van de aanwezigheid en sterkte van verschillende oxiderende en reducerende stoffen. ORP kan ook worden gezien als een weergave van de beschikbaarheid van elektronen. Omdat reducerende stoffen elektronen afstaan, is een reducerend milieu een milieu waarin elektronen relatief beschikbaar zijn. Een oxiderende omgeving daarentegen is een omgeving waar elektronen relatief onbeschikbaar zijn.

ORP wordt uitgedrukt als een elektrisch potentiaal (een spanning). In het algemeen wordt een reducerend milieu aangegeven met een negatieve waarde, en een oxiderend milieu met een positieve waarde. De meest gebruikelijke eenheid voor het uitdrukken van ORP is de millivolt (mV), en de meeste meters kunnen waarden aflezen die variëren van -1000 mV tot +1000 mV. Hoe extremer de negatieve of positieve waarde, hoe meer reducerend of oxiderend de vloeistof is.

Verschillende oxidatie-reductieprocessen en -omstandigheden hebben verschillende ORP-waarden, waarbij aerobe omstandigheden hogere ORP-waarden hebben en anaerobe omstandigheden lagere ORP-waarden.

Toepassingen van ORP-meting

Een van de grootste toepassingen van ORP is de desinfectie van water. Gemeentelijke drinkwatervoorzieningen maken bijvoorbeeld gebruik van sterke oxidatiemiddelen zoals chloor om bacteriën en andere microben te doden en hun groei in de waterleidingen tegen te gaan. Hogere ORP-waarden worden in verband gebracht met hogere concentraties van het desinfectiemiddel, zodat ORP wordt gebruikt om de desinfectiemiddelenniveaus in de watervoorziening te bewaken en te controleren. In zwembaden en spa’s worden desinfectiemiddelen gebruikt om microben te doden die ziekten kunnen overbrengen. In buitenzwembaden en koeltorens worden ontsmettingsmiddelen ook gebruikt om de groei van algen te voorkomen.

ORP wordt ook gebruikt voor het bewaken en controleren van vele oxidatiereductiereacties in industriële processen. In geautomatiseerde industriële systemen wordt ORP bijvoorbeeld vaak gebruikt om een lichte overmaat aan oxiderende chemicaliën zoals chloor, waterstofperoxide en ozon, of reducerende chemicaliën zoals zwaveldioxide en natriumsulfiet te handhaven.

In afvalwaterbehandeling wordt ORP gebruikt om de soorten microbiële processen te bepalen die zich voordoen en exploitanten te helpen het behandelingssysteem te beheren door bepaalde reacties te bevorderen of te voorkomen. ORP kan bijvoorbeeld worden gecontroleerd in verschillende delen van een systeem om organisch materiaal te verteren, nitraat of fosfor te verwijderen, en geuren te beheersen.

Omdat lage ORP-waarden op anaërobe omstandigheden wijzen, kan ORP worden gebruikt om anaërobe microbiële activiteit in het milieu te detecteren, zoals in de waterkolom of in het sediment. ORP kan ook worden gebruikt om de verzadiging van de bodem aan te geven, waardoor het nuttig is voor het in kaart brengen van wetlands.

In andere milieutoepassingen kunnen ORP-metingen worden gezien als een uitbreiding van de schaal voor opgeloste zuurstof (DO). DO-meters kunnen het bereik van aërobe omstandigheden bestrijken, maar zij kunnen niet aangeven hoe sterk een anaërobe omgeving gereduceerd is. De ORP-schaal daarentegen dekt een breed scala van reducerende omstandigheden. Hierdoor kan ORP inzicht verschaffen in de chemie van anaërobe omgevingen, zoals de soorten microbiële processen in sedimenten of reacties met verontreinigende stoffen in verontreinigde watervoerende lagen.

ORP kan ook worden gebruikt in combinatie met membraan-DO-sensoren om omstandigheden te identificeren waarin de DO-metingen mogelijk foutief zijn. Onder anaërobe omstandigheden kunnen membraantype DO-sensoren foutieve meetwaarden geven als er sulfiden aanwezig zijn. Als de ORP-meting op anaërobe omstandigheden wijst, moeten positieve DO-metingen van dit soort sensoren als verdacht worden beschouwd.

Conclusie

ORP is een snelle en goedkope meting van de oxiderende en reducerende omstandigheden in een omgeving of systeem. Dit maakt ORP-meting geschikt voor een breed scala van industriële en milieutoepassingen waar oxiderende en reducerende omstandigheden variëren. ORP is vooral nuttig voor routine- of continue bewakingssituaties waarin langzamere en duurdere chemische tests niet zo praktisch zouden zijn.