Preámbulo: dar y recibir electrones

ORP son las siglas de oxidation-reduction potential, potencial de óxido - reducción o potencial redox. Oxidación-reducción es un conjunto general de reacciones químicas que pueden describirse como la transferencia de electrones de los átomos de una especie química a los átomos de otra. El ejemplo clásico que le ha dado a estas reacciones su nombre es la reacción del oxígeno del aire con un metal: cuando se combinan para formar un óxido, el metal cede electrones al oxígeno de manera que el metal pasa a formar iones positivos y el oxígeno se transforma en iones óxido negativos.

La corrosión de metales por oxígeno o por ácidos es un ejemplo de reacción redox

La sustancia o el elemento que dona o pierde electrones se denomina el reductor y la sustancia que los roba o recibe se denomina el oxidante. Así como no puede haber un donador sin un receptor, en una reacción no puede existir un oxidante sin un reductor y viceversa. En nuestro ejemplo, el reductor (el hierro) dona electrones, se oxida en el proceso y pasa a su forma oxidada (ion ferroso o férrico) mientras que el oxidante (el oxígeno) recibe electrones, se reduce en el proceso y pasa a su forma reducida (ion óxido). Los pares hierro - ion ferroso y oxígeno - ion óxido se conocen como pares redox.

Tal como en los ácidos y bases, existe una jerarquía de oxidantes y reductores. Entre los oxidantes más fuertes tenemos el gas flúor y trifluoruro de cloro, los cuales son capaces de oxidar y hacer arder hasta al agua misma; entre los reductores más fuertes, se encuentran el sodio y el cesio que como metales puros son tan reactivos que arden espontáneamente en el aire y requieren mantenerse en ampolletas selladas o sumergidos en aceite mineral para conservarlos.

Desde las pilas hasta el medidor de ORP

Ya que las reacciones redox pueden involucrar una transferencia completa de electrones de una sustancia a otra, puede intuirse que representan un fenómeno eléctrico. Si ambos reactivos están distribuidos uniformemente en una solución, los electrones transferidos no cambian de lugar en su conjunto y el medio permanece eléctricamente neutro. Si el oxidante y reductor están separados en el espacio y conectados eléctricamente, existirá un potencial eléctrico que resulte en un movimiento neto de electrones con una corriente eléctrica asociada.

¿Dónde entra en juego la concentración y la fuerza redox de las especies involucradas? En el potencial eléctrico causado. En una batería, por ejemplo, el potencial eléctrico por pila depende tanto del par de reactivos usado (Plomo-ácido sulfúrico, Litio-Hidruro, etc) como su concentración. La cantidad no afecta el potencial pero sí determina la carga total aprovechable en Coulombs o más comúnmente A h.

Cuando sumergimos un electrodo que mide el ORP en la muestra de agua, ésta constituye una de las mitades de la celda eléctrica mientras que el medio interno del electrodo constituye la otra. En caso de que la muestra de agua sea más oxidante que el electrodo, habrá un potencial redox positivo, mientras que si la muestra juega el papel de reductor, se medirá un potencial redox negativo. Ya que estas mediciones necesariamente usan un electrodo como referencia, necesita establecerse un “cero” de común acuerdo para poder compartir las mediciones de potencial redox. Internacionalmente, este cero es un electrodo de platino con gas hidrógeno como oxidante y reductor; ya que este electrodo es poco práctico para mediciones rutinarias, se usan otros electrodos cuyo sesgo respecto al electrodo de hidrógeno es bien conocido.

Tanteando el potencial de las aguas

Así como el pH nos sirve para evaluar la capacidad del agua de reaccionar como ácido o como base con las sustancias con las que se encuentra en contacto, el potencial redox nos ayudará a evaluar su capacidad para reaccionar como oxidante o reductora ante una sustancia que se encuentre en ella. Un agua con potencial redox elevado tenderá a comportarse como un agente oxidante mientras que si tiene un potencial negativo tenderá a actuar como reductor.

El pH nos permite saber la distribución de especies químicas para un grupo conjugado. Por ejemplo, para el grupo de los carbonatos un pH alto significa que predomina el ion carbonato mientras que un pH bajo favorece la formación de ácido carbónico. De manera análoga, el potencial redox nos permite estimar el predominio de especies químicas dentro de un grupo redox. Por ejemplo, el cromo hexavalente existe a valores de ORP alto mientras que el cromo trivalente a valores más bajos, por lo que al medir el ORP podemos intuir cuál de ellos está predominando en el agua. Los siguientes compuestos tienen una lógica similar:

Los extremos típicos del ORP van de la fosa séptica al agua clorada y aireada. Las especies químicas que predominan varían ampliamente.

El predominio de diversas especies químicas en el agua para un elemento se ilustra mediante los diagramas de Pourbaix.

Diagrama Pourbaix

El fin de las analogías

Hasta hemos trazado un paralelismo entre el pH y el ORP, pero eventualmente aparecen propiedades particulares a tomar en cuenta cuando se mide el potencial redox. La principal diferencia es la velocidad de reacción: el agua puede transportar rápidamente los protones que intervienen en las reacciones entre ácidos y bases por lo que un cambio de pH alcanza inmediatamente al medidor; comparado con esto, las reacciones redox son bastante más lentas, ya que las especies químicas directas deben llegar hasta la zona de medición del electrodo y algunas de ellas como el oxígeno disuelto lo hacen lentamente. Es frecuente que una medición de agua natural sin reactivos químicos añadidos tarde unos 20 min en estabilizarse.

Ya que las reacciones redox son inherentemente más lentas, se puede encontrar con medios en los cuales el equilibrio químico tarde en alcanzarse o donde exista una variación local en las mediciones de potencial redox; por ejemplo, en los sedimentos de los medios acuáticos puede predominar un ORP significativamente distinto y más negativo que en las aguas superficiales. En algunos de estos casos, donde existen gradientes o estados no estacionarios, la ausencia de estabilidad en la medición no debería interpretarse como deriva del instrumento.

Monitoreo de depuración y desinfección de aguas

El cloro añadido al agua actúa como un agente oxidante contra las bacterias y virus. Como el poder desinfectante del cloro está directamente relacionado con su capacidad oxidante, el ORP del agua clorada indica su capacidad y rapidez para matar patógenos en el agua. El potencial redox ya considera el efecto del pH del agua, no es necesario corregir o verificar que la cantidad de cloro añadido sea suficiente para el pH del agua en cuestión. Muchas normas nacionales e internacionales establecen valores mínimos de potencial redox que debe tener el agua que regulan (en general, se considera que la desinfección es exitosa cuando el ORP es mayor a +600 mV). Como el ORP mide la capacidad final del agua para oxidar o reducir con independencia de sus componentes, usted puede usar el mismo medidor sin importar si el desinfectante es cloro, bromo u ozono, con tal de que sea un reactivo oxidante.

Un medidor ORP en línea es útil para monitorear la desinfección del agua, ya que no necesita corregir los ajustes de pH.

Ya que la concentración de oxígeno disuelto influye tanto en el potencial redox mismo como en el tipo de reacciones biológicas que predominan en el agua residual, un electrodo para medir ORP constituye un buen medidor en línea para monitorear y asegurar que las reacciones deseadas ocurran en el reactor biológico; por ejemplo, la generación de sulfuro de hidrógeno ocurre en un intervalo de -250 a -50 mV, la formación de metano, de -400 a -175 mV y la degradación aerobia de desechos orgánicos a potenciales de +50 a +250 mV.

El ORP permite saber las reacciones biológicas predominantes al tratar el agua

Sabiendo cómo medir e interpretar el potencial de óxido de reducción, usted puede contar con otro parámetro de campo valioso para el control de sus procesos químicos.