Principios complejos de la medición redox

Dr. Claude Boyd sobre la interpretación de la reacción de oxidación-reducción en acuicultura

Figura 1: Los estanques de acuicultura deben tener como objetivo mantener las condiciones aeróbicas: redox en la interfaz de sedimentos y agua de 0,5 voltios o más. Foto de Darryl Jory.

En los últimos años, varios científicos de la acuicultura me han preguntado sobre el uso y la importancia del potencial de oxidación-reducción, a menudo denominado ORP o potencial redox. Le respondí: «Confíe en mí, done la sonda redox a un químico de laboratorio y use un medidor y una sonda de oxígeno disuelto (OD) para asegurarse de que su estanque (u otro sistema de cultivo) mantenga una concentración satisfactoria de OD en todo momento».

Mi breve respuesta rara vez ha satisfecho a los que preguntan. Además, mi explicación de por qué las mediciones redox y su interpretación para fines de acuicultura eran inciertas les parecía aún menos satisfactoria. Por lo tanto, he decidido que debo proporcionar una explicación simple de los complejos principios de la medición redox y su interpretación.

Reacciones de oxidación-reducción

Las reacciones químicas son impulsadas por diferentes mecanismos, pero muchas reacciones importantes en los sistemas de producción acuícola son reacciones de oxidación-reducción. En la reacción de oxidación, la sustancia pierde electrones y se vuelve más electropositiva en valencia, mientras que ocurre lo contrario cuando la sustancia se reduce.

Una sustancia no se puede oxidar si aún no hay sustancia que reciba los electrones resultantes. Lo contrario es cierto para la reducción de sustancias; debe haber otra sustancia para donarle electrones. El donante de electrones se oxida y se vuelve más electropositivo, mientras que el aceptor de electrones se reduce o se vuelve más electronegativo.

El donante de electrones se llama agente reductor y se oxida en la reacción. El aceptor de electrones se llama agente oxidante y se reduce en la reacción. La transferencia de electrones entre dos sustancias crea una corriente detectable (flujo de electrones).

Se ha dilucidado el potencial de redox

El potencial redox se mide teóricamente como el flujo de electrones desde una concentración estándar de una sustancia a un electrodo de hidrógeno o un electrodo de hidrógeno con potencial eléctrico cero. La corriente de electrones medida durante la reacción de oxidación-reducción es el potencial redox; pero dependiendo de la sustancia que se compare con el electrodo de hidrógeno, el flujo de electrones puede ser en ambas direcciones.

El procedimiento habitual es asignar un valor positivo al potencial redox cuando los electrones fluyen desde el electrodo de hidrógeno a otra sustancia. Se determina un valor positivo cuando los electrones fluyen de otra sustancia al electrodo de hidrógeno. Cuanto mayor sea el valor numérico del redox, más oxidada o reducida será la otra sustancia en relación con el electrodo de hidrógeno.

El potencial redox no es un método simple o confiable para evaluar la idoneidad de la calidad del agua para los animales de calidad del agua.

Un potencial redox positivo alto indica que la sustancia se oxida al electrodo de hidrógeno. Un potencial redox negativo elevado significa que la sustancia se reduce considerablemente en relación con el electrodo de hidrógeno.

Las tablas de potenciales redox estándar para el electrodo de hidrógeno de muchas sustancias están disponibles en la mayoría de los libros de química general. Por supuesto, durante la reacción entre la sustancia y el electrodo de hidrógeno, el potencial redox progresa a cero. El potencial redox cero ocurre cuando estas dos sustancias están en equilibrio con respecto al flujo de electrones.

El potencial redox teórico en agua dulce con un pH de 7, 8 mg / l de OD y una temperatura de 25 ° C a 25 ° C es de 0,802 voltios. Sin embargo, en la práctica, se utiliza un electrodo de cloruro de mercurio (calomelanos) en mediciones prácticas de redox. El potencial redox del electrodo de calomelanos es de 0,242 voltios en relación con el electrodo de hidrógeno, por lo que el redox medido con el electrodo de calomelanos sería de 0,560 voltios. Sin embargo, a 25 ° C y pH 7, el redox medido con un electrodo kaloxielectrónico sería de 0,547 voltios incluso a 1 mg / l de OD. Por lo tanto, siempre que el agua contenga una pequeña cantidad de OD, su potencial redox es alto.

Figura 2: Cuando el redox desciende a aproximadamente 0,2 a 0,3 voltios, el color de la superficie del sedimento (suelo) se vuelve más oscuro, a menudo gris oscuro o negro. Foto de Darryl Jory.

El PH afecta al redox. Para ajustar la medición redox a pH 7, reste del redox medido a un pH más bajo o agregue 0.0592 voltios por unidad de pH al redox medido a un pH más alto. Un aumento de temperatura de 1 grado C provoca un aumento redox de 0,0016 voltios, pero los instrumentos redox suelen tener un compensador de temperatura incorporado.

En un lago estratificado térmicamente, el redox puede caer muy bajo, incluso a un valor negativo, si la concentración de OD en aguas más profundas (hipolimnéticas) desciende a 0 mg / l. Sin embargo, en estanques de acuicultura que normalmente no se estratifican térmicamente, el potencial redox en el límite entre el sedimento y el agua suele ser superior a 0,50 voltios debido a la presencia de OD. Redox cae rápidamente a un sedimento de 0,2 voltios o menos a una profundidad de unos pocos milímetros debido al consumo de oxígeno debido a la actividad microbiana. El potencial redox en los sedimentos también disminuye rápidamente en los lagos pobres en nutrientes (oligotróficos). En el caso de un redox de 0,2 voltios, la profundidad del sedimento puede estar de 5 a 10 cm por debajo de la interfaz entre el suelo y el agua.

En los estanques de acuicultura, el objetivo debe ser mantener las condiciones aeróbicas: redox en la interfaz sedimento-agua de 0,5 voltios o más. La lectura redox no es necesaria para determinar esta condición, porque cuando la redox cae a aproximadamente 0,2 a 0,3 voltios, el color de la superficie del sedimento (suelo) se vuelve más oscuro, a menudo gris oscuro o negro. Se ilustra la condición deseada en la superficie del suelo (Figura 3). La capa superficial delgada es aeróbica y de color más claro que la capa anaeróbica unos milímetros más abajo, como lo demuestra la limpieza de la capa superficial delgada. El cambio de color se debe a la reducción de hierro (Fe3 +) a hierro (Fe2 +) en redox, que está cerca de 0,2 voltios. El redox debe descender de 0,0 a 0,1 voltios antes de que las bacterias comiencen a convertir el sulfato en sulfuro. Mientras existan condiciones oxidantes en el límite entre el sedimento y el agua, hay poca migración de sulfuro al agua de arriba.

Figura 3: Imagen de una capa superficial delgada oxidada (aeróbica) en el límite entre el suelo anaeróbico y el agua.

Problemas de medición redox

Los principales problemas con la medición redox son que la sonda que contiene el electrodo redox es bastante grande (aproximadamente del diámetro de la pluma) y, cuando se introduce en el sedimento, el agua enriquecida con oxígeno entra en la sonda de potencial redox desde la parte superior del sedimento. También es prácticamente imposible saber la profundidad exacta a la que la sonda detecta redox, y el redox puede cambiar drásticamente a una profundidad de 1 o 2 mm. También hay problemas de calibración con las sondas redox y muchas no cuentan 0,56 voltios con oxígeno en el agua. Sin embargo, se puede determinar si el potencial redox aumenta o disminuye con tales sondas.

La concentración baja de OD se puede detectar fácilmente con un medidor de OD polarográfico y la concentración baja de OD advierte de un potencial redox bajo. El oscurecimiento de la superficie del sedimento también indica que el redox es lo suficientemente bajo para el hierro y demasiado alto para el nitrato (la forma más oxidada de nitrógeno). El olor a huevo podrido del sulfuro se puede detectar a concentraciones muy bajas de esta sustancia; no es necesario medir el redox para averiguar si se forma sulfuro de hidrógeno.

Perspectivas

El potencial redox no es un método simple o confiable para evaluar la idoneidad de la calidad del agua para los animales de calidad del agua. El médico debe concentrarse en mantener una concentración adecuada de OD en el agua equilibrando la densidad de población y la tasa de alimentación con la cantidad de aireación mecánica aplicada. La colocación de aireadores para asegurar que el agua que contiene oxígeno fluya por el fondo del estanque es útil para prevenir condiciones anaeróbicas en el límite entre el agua y el sedimento. Algunos acuicultores aplican nitrato de sodio a los estanques como oxidante en los sedimentos. La presencia de nitrato en el agua para promover la desnitrificación lleva el potencial redox a un nivel aceptable para evitar que sustancias altamente reducidas, como el sulfuro de hidrógeno, ingresen a la columna de agua.

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