Окислительно-восстановительный потенциал воды: понятие и значение

333
shutterstock.com
shutterstock.com
Качество воды должно отвечать существующим требованиям, которые выражаются набором различных технических показателей. Одним из таких показателей и является окислительно-восстановительный потенциал воды.
М.П. Иванов,
канд. хим. наук, эксперт журнала

В этой статье вы прочитаете:

  • Что значит термин «окислительно-восстановительный потенциал воды»
  • Какими способами определяется окислительно-восстановительный потенциал воды
  • С какой целью проводится оценка и анализ химического состава воды
  • В чем заключается биологический аспект определения ОВП
  • Что такое ОВП-метры и зачем они нужны

Чтобы разобраться в понятии «окислительно-восстановительный потенциал воды», рассмотрим сначала более общий термин. Обычно под «окислительно-восстановительным потенциалом» понимают гальваническую равновесную разность электрических потенциалов, возникающую между электролитом и проводником. В качестве проводника может быть использован металл или любое  устройство, способное участвовать в окислительно-восстановительных реакциях.

В простейшем виде окислительно-восстановительный потенциал возникает в системе, в которой устанавливается равновесие между процессами окисления атомов металла и восстановления соответствующих катионов, например:

Окислительно-восстановительный потенциал воды: понятие и значение

В этих случаях окислительно-восстановительный потенциал является мерой способности химического вещества присоединять электроны, т. е. восстанавливаться. Иначе — окислительно-восстановительный потенциал характеризует степень активности атомов в окислительно-восстановительных реакциях, т. е. связан с легкостью передачи электронов от одного элемента к другому. В таких системах окислительно-восстановительный потенциал зависит от природы металла и активности соответствующих катионов. Кроме этого, возникающий потенциал будет зависеть и от других возможных участников процесса, например Н+ и ОН-.

Окислительно-восстановительный потенциал часто выражают сокращенно в виде аббревиатуры ОВП. В некоторых случаях его еще называют редокс-потенциалом и обозначают как Eh. Поскольку окислительно-восстановительный потенциал представляет гальваническую разность потенциалов, то и измеряется он в милливольтах (mV).

Величину окислительно-восстановительного потенциала определяют экспериментально с помощью электрохимических методов с использованием различных электродов. На практике для определения значения Eh создают электрохимическую цепь, состоящую из стандартного электрода и электрода сравнения. Измеряют окислительно- восстановительный потенциал относительно принятого стандарта, потенциал которого условно принимается за нулевое значение. В качестве такого стандарта был принят потенциал реакции

Окислительно-восстановительный потенциал воды: понятие и значение

которая протекает при давлении газообразного водорода в 1 атм, температуре в 25 °С и концентрации ионов [Н+] = 1 моль/л. В этом случае в водной среде уровень показателя рН = 0.

К сведению

Вальтер Герман Нернст (1864–1941) — немецкий химик, профессор. В 1921 г. ему была вручена Нобелевская премия по химии, присужденная в 1920 г. «в признание его работ по термодинамике».

Значение Eh для любой окислительно-восстановительной реакции может иметь как отрицательное, так и положительное значение. Количественная зависимость окислительно-восстановительного потенциала от различных факторов описывается уравнением Нернста:

Окислительно-восстановительный потенциал воды: понятие и значение

К сведению

Число Фарадея (постоянная Фарадея) — фундаментальная физическая постоянная, определяющая соотношение между электрохимическими и физическими свойствами вещества. Численное его значение равно заряду, который надо пропустить через раствор электролита, чтобы выделить на электроде массу вещества, равную отношению молярной массы вещества к его валентности.

Заметим, что в этом уравнении величина Е0 по своему физическому смыслу близка к стандартному изменению свободной энергии Гиббса (-ΔG0) для данной окислительно-восстановительной реакции. Поэтому, исходя из этого допущения, величину Е0 можно вычислить по значениям термодинамических параметров и констант равновесия соответствующих процессов. Для широкого круга окислительно-восстановительных реакций значение Е0 вычислено и представлено в виде табличного справочного материала.

К сведению

Свободная энергия Гиббса — это величина, которая показывает уровень изменения энергии в процессе химической реакции и таким образом в результате дает ответ на вопрос о возможности протекания химических реакций. Такой потенциал можно принимать за полную химическую энергию системы (жидкости, кристалла и т. д.). Свободная энергия Гиббса широко применяется в химии и термодинамике.

Особенности определения ОВП

При определении окислительно-восстановительного потенциала воды наблюдаются некоторые отличительные особенности. Во-первых, при пропускании через воду электрического тока измеряемый электродный потенциал будет отличаться от величины равновесного значения на величину электрической поляризации. Во-вторых, Eh воды оказывает определенное воздействие на примеси, которые в ней могут находиться. В-третьих, величина самого этого потенциала будет зависеть от наличия в воде примесей.

Помимо этого, при экспериментальном определении значения Е0 имеется еще одно затруднение, которое выражается в следующем. Обычно потенциал окислительно-восстановительной реакции сравнивают с потенциалом водородного электрода, значение которого принимается нулевым при уровне рН = 0. Однако довольно часто состояние воды оценивается при нейтральных средах, которые соответствуют уровню рН = 7,0. Но в этих условиях потенциал водородного электрода будет уже не нулевым, а составлять +420 mV. В то же время в практике централизованного водоснабжения и нормативных требованиях по качеству питьевой воды рассматривают состояние воды, имеющее значение уровня рН в диапазоне от 7,2 до 7,6. Это также будет оказывать соответствующее влияние на величину Е0.

Важно отметить, что в природной, технической и питьевой воде могут находиться различные виды примесей, обладающие окислительными и восстановительными свойствами, которые будут оказывать существенное влияние на значение Е0. К загрязнениям, имеющим окислительные свойства, могут быть отнесены такие примеси, как растворенный кислород и соединения, содержащие нитрат-анион. К веществам с восстановительными свойствами обычно относят сероводород, аммиак, гуминовые кислоты и некоторые другие органические соединения. Соотношение содержания окислительных и восстановительных примесей в конечном счете и определяет окислительные или восстановительные свойства воды данного вида. Обычно в воде из природных водоисточников незначительно преобладают примеси с восстановительными свойствами.

Анализ химического состава воды

В зависимости от величины окислительно-восстановительного потенциала природной воды специалисты различают три характерные зоны.

Так, при значении Eh > 0 в интервале значений окислительно-восстановительного потенциала от +100 до +150 mV располагается так называемая окислительная зона. Обычно она характеризуется присутствием в воде растворенного кислорода, а также ряда примесей, содержащих катионы тяжелых и цветных металлов в высшей степени возможного окисления. Главным образом это касается катионов Fe3+, Mo6+, As5-, V5+, U6+, Sr4+, Cu2+, Pb2+. Такое состояние обычно присуще водам из поверхностных водоемов. В этой водной среде наличествует избыток свободных электронов, которые могут легко поглощаться другими веществами, включая и живые клетки. В то же время водная среда с  окислительно-восстановительным потенциалом выше +150 mV в подавляющем большинстве случаев характерна для поверхностных и грунтовых вод, верховодок.

Окислительно-восстановительный потенциал воды: понятие и значение

Следующая зона значений окислительно-восстановительного потенциала обычно называется переходной. Она располагается от значений Eh +100 mV до нуля. Этому интервалу принадлежит вода с неустойчивым составом солей и переменным содержанием в ней газов, особенно сероводорода и кислорода. В данной зоне значений окислительно-восстановительного потенциала могут протекать как слабое окисление, так и слабое восстановление широкого круга катионов металлов. Переходная зона значений окислительно-восстановительного потенциала характерна для неглубоко залегающих пластовых и грунтовых вод.

И наконец третья зона величин окислительно-восстановительного потенциала воды чаще всего носит название восстановительной. В восстановительной зоне все значения Eh < 0. Обычно отрицательные значения окислительно- восстановительного потенциала наблюдаются для воды из подземных источников, в которой часто в значительном количестве присутствуют примеси сероводорода, а также загрязнения, содержащие катионы металлов в низшей степени окисления, главным образом Fe2+, Mn2+, Mo4+. Восстановительная среда сильно обеднена свободными электронами и в результате этого может активно поглощать их от других агентов.

Биологический аспект определения ОВП

Специалисты считают, что по величине значения Eh можно не только производить оценку химического состава примесей воды, но и также судить о бактериологическом состоянии воды и ее полезности для организма человека. Так, важно отметить, что величина окислительно-восстановительного потенциала характеризует способность воды уничтожать микроорганизмы методом окисления. Широко известно, что антисептическая и бактерицидная активность воды возрастает с повышением окислительно-восстановительного потенциала.

Пример

Средняя продолжительность времени жизни микроорганизмов кишечной палочки падает со 170 мин до 3 с при возрастании положительных значений окислительно-восстановительного потенциала от +450 до +700 mV.

Вероятно, поэтому для осуществления продуктивного рыбоводства вода водоемов должна иметь Eh > +450 mV. Вызвано это тем, что такое значение окислительно- восстановительного потенциала позволяет создавать условия для развития необходимой водной флоры и фауны.

Таким образом, измерения величины окислительно-восстановительного потенциала позволяют судить об эффективности методов обеззараживания воды, а также следить за изменением бактериальной обстановки в водной среде.

Такой подход широко используется при контроле качества воды в бассейнах и  спа-салонах. Поскольку при уровне потенциала более +700 mV бактерии погибают в течение нескольких секунд, ОВП воды в данных лечебных и оздоровительных учреждениях должен быть выше этого значения, чтобы полностью исключить возможность ее заражения. Действительно, в соответствии с существующими требованиями для воды бассейнов Eh должен находиться в пределах от +700 до +780 mV.

Для дезинфекции воды могут использоваться различные способы, в частности те, действие которых основано на использовании газообразного хлора и хлорсодержащих химических реагентов. В результате такой обработки в воде остается некоторое количество свободного хлора, наличие которого может нанести вред организму человека. При этом важно отметить, что наличие в воде остаточного хлора — химического соединения, обладающего сильными окислительными свойствами, — неминуемо приведет к изменению и  окислительно-восстановительного потенциала. Поэтому с помощью контроля изменения Eh можно отслеживать уровень соотношения общего и свободного хлора, который остается в воде после ее обработки.

Помимо этого, значение величины окислительно-восстановительного потенциала может давать представление о полезности применения такой воды для организма человека. Связано это с тем, что внутренняя среда организма животных имеет свой окислительно-восстановительный потенциал, значение которого обычно меняется в интервале от -100 до -200 mV.

Специалистами было установлено, что использование воды с положительными значениями окислительно-восстановительного потенциала в пищу и для гигиенических целей может нанести вред здоровью человека. Так, например, употребление питьевой воды с Eh от +100 до +400 mV приводит к тому, что водная среда отнимает электроны от живых клеток. Это сопровождается так называемыми окислительным атаками воды на клетки организма. При длительном воздействии воды с положительными значениями окислительно-восстановительного потенциала происходит изнашивание биологических тканей и преждевременное старение внутренних органов. Кроме того, постоянное употребление воды с потенциалом +250 mV и более способствует возникновению у человека массы хронических заболеваний. Вызвано это, по мнению специалистов, тем, что вода с потенциалом +300 mV приводит к слипанию эритроцитов, что, в свою очередь, вызывает тромбозы. Вероятно, поэтому Всемирная организация здравоохранения (ВОЗ) рекомендует, чтобы люди употребляли для питья воду, у которой Eh < +50 mV. В то же время специалисты, исходя из биохимических воззрений, рекомендуют использовать для питья воду с  окислительно-восстановительным потенциалом в диапазоне [-150 mV; +100 mV].

Несмотря на информативность окислительно-восстановительный потенциал как критерий качества воды не реализуется в полной мере своих возможностей. В основном его значение используется лишь для характеристики воды различного назначения на конечных стадиях ее обработки. Вероятно, поэтому значение Eh не учитывается при проектировании систем централизованного водоснабжения.

Некоторые специалисты считают, что такое положение вещей вызвано тем, что окислительно-восстановительный потенциал не является обязательным параметром качества воды. Действительно, требование по контролю за значением окислительно-восстановительного потенциала отсутствует в СанПиН 2.1.4.1074–01 «Питьевая вода. Гигиенические требования к качеству воды централизованных систем питьевого водоснабжения. Контроль качества» и некоторых других нормативных и документах Санэпиднадзора. Вероятно, на этом основании отдельные лаборатории Роспотребнадзора не делают анализ по определению этого параметра при контроле качества питьевой воды на водозаборах и магистральных водопроводах населенных пунктов. Вследствие этого окислительно-восстановительный потенциал питьевой воды в ряде мест России и вовсе не контролируется.

Но стоит заметить, что измерение окислительно-восстановительного потенциала не представляет сложной задачи. Связано это с тем, что существует целый перечень приборов, предназначенных для измерения этой величины, выпускаемых отечественными и зарубежными производителями. Приборы, которые применяются для этой цели, называются ОВП-метрами. Одновременно с ними существуют и комплексные приборы, которые совместно с измерением окислительно-восстановительного потенциала проводят измерение уровня рН, электропроводности воды, ее температуры и солесодержания. Довольно часто значение Eh измеряют с помощью рН-метров, которые предназначены для такого измерения. Чаще всего погрешность при таком измерении не превышает 20 mV, что вполне достаточно для оценки значения окислительно-восстановительного потенциала воды.



Вопросы по теме

Мероприятия

Школа

Проверь свои знания и приобрети новые

Посмотреть

Самое выгодное предложение

Самое выгодное предложение

Воспользуйтесь самым выгодным предложением на подписку и станьте читателем уже сейчас

Живое общение с редакцией





Электронная система

Можно ли за невыполнение предписания ГЖИ отделаться предупреждением?

Ответы на этот и другие вопросы вы найдете в электронной системе «Управление многоквартирным домом»

Получить доступ
ВСЁ ДЛЯ ГОРОДСКОГО ХОЗЯЙСТВА

ВСЁ ДЛЯ ГОРОДСКОГО ХОЗЯЙСТВА

ВСЁ ДЛЯ ГОРОДСКОГО ХОЗЯЙСТВАЭЛЕКТРОННЫЙ КАТАЛОГ
НАШИ ПАРТНЁРЫНАШИ ПАРТНЁРЫ

Рассылка




© МЦФЭР, 2006-2016. Все права защищены.

По вопросам подписки обращайтесь по телефонам: 
Москва: 8 (495) 775-48-44 
Другие регионы: 8 (800) 775-48-44 

Получите техническую поддержку: 
по телефону: +7 (495)-937-90-82 
e-mail: sd@mcfr.ru 


  • Мы в соцсетях