산화환원전위

ORP(Oxidation Reduction Potential) 

 

 

우리가 산소를 이용해서 숨을 쉬고 살아 가듯이  식물도 숨을 쉬고 산다는 사실을 얼마나 아는가? 낮에는 지상부 잎으로 산소를 만들어 주는 위대한 산소발전소이다. 하지만 밤이되면 지하부의 뿌리는 산소가 꼭 필요하다. 산소를 이용해 숨을 쉬며 에너지를 만들어 내일을 준비한다. 이것은 생명을 유지하기 위한 동물과 같은 방법이다. 농업을 하면서 참으로 중요한 사실은 농작물의 뿌리는 숨을 쉬고 산소를 필요로 한다는 점이다. 흙속에 산소를 유지시키는 것이다. 즉 토양은 +ORP(Oxidation Reduction Potential), 지상부와 작물체 속은 - ORP를 유지시켜 주어야 고품질의 농산물을 얻을 수있다. 

 

지구에서 생명을 유지시키는 반응은 탄수화물의 대사과정이다.

C6H12O6 + 6O2 → 6CO2 + 6H2O + 에너지 : 인간을 포함한 동물에게 끊임없이 일어나는 과정

 

6CO2 + 6H2O + 에너지 → C6H12O6 + 6O2 : 식물의 대사과정으로 광합성(photosynthesis)이다.

  광합성에 의한 탄수화물은 모든 음식의 궁극적인 원천으로 산소를 생산하는 유일한 자연과정이다.

 

ORP(Oxidation Reduction Pontention)산화환원전위는 산화, 환원능력을 알며 millivolt 값으로 측정

순수(H2O) 200mv, 산소 +820mv 미만,  산화수 + 200mv 이상,  환원수 +200mv 미만  생수 +220mv

 

산화

산화는 원자, 분자 혹은 이온이 전자를 잃게되는 현상을 말한다. 산소와의 결합을 일컫기도 한다. 예를들면 철이 부식되는 현상과 나무가 타는현상 같은 것들이다. 물질이 산화되면 산화수가 증가한다. 많은 물질들이 여러 산화상태로 존재할 수 있다.

좋은예로 황을 들 수 있다. (H2S : -2, S : 0, SO2 : +4, SO42- : +6)

여러 산화상태를 갖는 물질들은 보다 높은 산화상태로 단계별로 산화된다. 다음의 반응에서 Fe2+/Fe 쌍을 산화-환원쌍 (redox couple)이라 한다.

Fe = Fe2+ + 2e-

위의 화학식을 산화의 반쪽반응 (half-reaction)이라 부른다. 철에서 나온 전자는 용액내에 존재할 수 없고 용액내의 다른 물질이 받아들여야 하기 때문이다. 따라서 완전한 반응식에서는 산화와 환원이 동시에 일어나야 한다.

 

산화(oxidation)

- 산소 원자를 얻음

- 수소 원자를 잃음

- 전자를 잃음(산화수 증가)

 

환원

환원은 원자, 분자, 이온들이 전자를 얻는 현상을 말한다. 산화의 경우와 마찬가지로 여러 가지 산화상태를 갖는 물질은 단계적으로 환원되어 낮은 산화상태가 된다.

아래의 식은 chlorine의 환원반쪽 반응이다.

Cl2 (chlorine) + 2e- (electrons) = 2Cl- (chloride ion)

위의 경우에 redox couple은 Cl2/Cl- (chlorine/chloride)이다. 산화반응은 언제나 환원반응과 함께 일어나다. 두 개의 반쪽반응이 결합되어 하나의 전체반응이 될 때 산화반응에서 잃어 버린 전자의 수는 환원반응에서 얻어진 전자의 수와 같아야 한다.

산화 반쪽식 : Fe = Fe2+ + 2e-

환원 반쪽식 : Cl2 + 2e- = 2Cl-

전체반응식 : Fe + Cl2 = FeCl2

위의 반응식에서 chlorine(Cl2)을 환원시키는 철(Fe)을 환원제라 부른다. 반대로 철(Fe)을 산화시키는 chlorine(Cl2)은 산화제라 부른다.

 

환원(reduction)

- 산소 원자를 잃음

- 수소 원자를 얻음

- 전자를 얻음(산화수 감소)

 

기준전위

어떤 물질이 얼마나 산화 혹은 환원이 잘 되는지는 redox couple의 기준전위에 의해서 알 수 있으며 Eo로 나타낸다. 여러 가지 redox couple의 기준전위값들은 반쪽반응식과 함께 문헌상에 표로 나타나있다. 모든 반응들은 수소이온/수소 (H+/H2) redox couple를 기준으로 하며 이것의 기준전위는 0이다. 반쪽반응의 기준전위는 환원반응으로 사용한다. 표에서 음수로 나타나는 기준전위는 산화반쪽 반응을 나타낸다.

용액내에서의 ORP

반쪽반응에 대한 기준전위는 반응에 참여하는 모든 물질의 농도가 1M 이라는 전제를 하고 있다. 그러나 실제상황에서는 각각의 농도들이 다를 수가 있기 때문에 각각의 경우에 대해서 ORP값을 구하기 위해서는 네른스트 방정식 (Nernst equation)을 사용해야 한다.

ORP 전극

ORP 측정에서는 백금이나 금과 같이 비활성 금속전극을 사용한다. 보편적으로 ORP 측정의 정확도는 ±5mV. 때때로 ORP 전극과 어떤 화학종간의 전자교환의 속도가 매우 낮으면 측정에 방해를 받을 수 있다. 이런 경우에는 용액내의 용존산소와 같은 2차 redox couple에 좀더 많이 감응할 수 있어서 오차를 유발하게 된다.

기준전극

보통의 경우 ORP 측정에 사용되는 기준전극은 pH 측정에 사용되는 Ag/AgCl 전극과 동일하다. 표백공정과 같은 경우에는 은조각 (silver billet)이나 심지어는 pH 전극을 기준전극으로 사용하기도 한다.

 

 

ORP측정기-미발효퇴비(184mv), 발효퇴비(300mv)-작물체 내부는 환원상태, 토양은 산화상태 유지가 가장 중요한 포인트이다.