Окислительно-восстановительный потенциал

 

Окислительно-восстановительный потенциал (Eh). Редокс-потенциал водной среды (гН).

Жизнь в водной среде зависит не только от ее активной реакции (показатель рН), но и от окислительно-восстановительного потенциала, или редокс-потенциала. Редокс потенциал (rH) – окислительно-востановительный процесс (биохимическое старение воды). Редокс-потенциал, или окислительно-восстановительный потенциал — показатель химической и биологической активности воды. Редокс-потенциал стимулирует или тормозит рост и развитие водных организмов. Слово редокс образовано от двух слов — редукция (восстановление) и оксидация (окисление). Редукцией будет процесс выделения кислорода или поглощения водорода, оксидацией — процесс поглощения кислорода.

Во время окислительных или восстановительных реакций изменяется электрический потенциал окисляемого или восстанавливаемого вещества — одно вещество, отдавая свои электроны и заряжаясь положительно, окисляется, другое, приобретая электроны и заряжаясь отрицательно, восстанавливается. Разность электрических потенциалов между ними и есть редокс-потенциал. При измерениях (в электрохимии) величина этой разности обозначается как Eh и выражается в милливольтах. В аквариумной воде значение Eh колеблется от — 400 до + 700 мВ, определяется всей совокупностью происходящих в ней окислительных и восстановительных процессов и в условиях равновесия характеризует среду сразу относительно всех элементов, имеющих переменную валентность.

Редокспотенциалы измеряются в милливольтах и по аналогии с рН могут быть пересчитаны либо в показатель гН, отражающий давление водорода, либо в Еh — показатель активности электронов. Самой мощной окислительной способностью в природной и аквариумной воде обладает кислород, а восстановительной — водород, но между ними располагаются и другие вещества, присутствующие в воде и менее интенсивно выполняющие роль либо окислителей, либо восстановителей. С точки зрения аквариумиста, интерес представляют кислород и озон, которые обладают очень высокой способностью окислять органические соединения в аквариуме.

Кислороду противостоит, как восстановитель, комплекс, состоящий в основном из азотсодержащих веществ, образовавшихся в результате разложения органических остатков и группа соединений металлов с переменной валентностью (например, железа). То есть по отношению к толще воды атмосфера играет роль поставщика окислителя, а дно — поставщика восстановителей. Сильно повышает редокс-потенциал применение ультрафиолетовых облучателей и озонаторов аквариумной воды.

Окислительные и восстановительные процессы тесно связаны между собой, так как химическая система только тогда может отдавать электроны, когда другая система их присоединяет. Такие системы называются окислительно-восстановительными. Превращения веществ, при которых происходит перенос электронов, называются окислительно-восстановительными реакциями. Окислительно-восстановительный (редокс) потенциал служит количественной мерой окислительной способности редокс-системы по сравнению со стандартным водородным электродом. Окислительно-восстановительные пары, потенциал которых по отношению к стандартному водородному электроду отрицателен, действуют на систему как восстановители. В биохимии, в отличие от электрохимии, величины редокс-потенциала выражаются не в милливольтах, а в условных единицах rH (reduktion Hydroqenii).

Существуют специальные таблицы перевода результатов, измеренных с помощью прибора в милливольтах, в условные единицы rH. Шкала условных единиц содержит 42 деления, rH = 0 означает чистый водород — соответствует системе с очень сильными восстановительными свойствами, в то время как rH = 42 — чистый кислород — соответствует потенциалу так называемого кислородного электрода. Естественно, что вблизи этих показателей жизнь невозможна. Увеличение rH соответствует увеличению окислительных свойств системы. Обычно о системе с rH выше 25 говорят как об окислительной, а с rH меньше 20 — как о восстановительной. При этом не следует забывать, что понятия окислительный и восстановительный — относительно. Подобно тому, как лишь часть диапазона рН применима в аквариумистике, так и лишь часть диапазона rH приемлема для жизни рыб и растений. Это диапазон от 16 до 36.

rH 40-42 Атмосфера кислорода (наибольшая степень окисления.

rH 35 сильное окисление.

rH 30 умереное окисление.

rH 25 слабое окисление.

rH 20 слабое восстановление.

rH 15 умеренное восстановление.

rH 10 сильное восстановление.

rH 0-5 Атмосфера водорода (наибольшая степень восстановления).

Низкий показатель rH предпочитают анаэробные (живущие при отсутствии свободного молекулярного кислорода) организмы — бактерии, грибы, диатомовые водоросли. Такие условия создаются в аквариуме при резкой подмене воды и накоплении большого количества разложившихся экскрементов, сгнивших частей растений, погибших улиток и пр. Низкий rH также отмечается в толще слежавшегося мелкозернистого грунта, лишенного доступа воды, насыщенной кислородом. По существу, именно грунт является “кухней погоды”, определяющей суммарный показатель редокс-потенциала в аквариуме — чем больше скапливается в грунте веществ, имеющих тенденцию к отдаче электронов, тем более снижается rH. Для здоровья аквариума, продления благополучия водной среды необходимо поддерживать в нем чистоту, периодически чистить грунт.

Отношения рН и rH тесно взаимосвязаны. Окислительные процессы понижают показатель активной реакции воды (чем выше показатель rH, тем ниже рН), восстановительные — способствуют повышению рН. В свою очередь, показатель рН влияет на величину rH. Так, бурный процесс фотосинтеза изменяет величину rH в зарослях таких растений, как элодея и кабомба, способных при фотосинтезе добывать СО2 из бикарбонатов: в результате выделяется ион ОН-, подщелачивающий воду, и показатель rH снижается; при этом в других зонах аквариума он может оставаться неизменным. Следует отметить также, что величина rH в верхних слоях воды обычно выше, в нижних — ниже. Поскольку показатели рН колеблются в течение суток, изменяется и величина rH. Она зависит также и от температуры воды. Таким образом, в водной среде постоянно происходят как окислительные, так и восстановительные реакции, не видимые глазу аквариумиста.

Как все живые организмы на планете, аквариум проходит стадии: рождения — молодости — зрелости — старения — умирания, так вот, в начальных стадиях аквариумист должен как можно быстрее разогнать первые фазы развития до состояния зрелости, как можно дольше продержать его на этом этапе развития, оттягивая по возможности правильным уходом фазу старения. Но проходит время, и эта биологическая среда (живой организм) насыщается различными веществами (выделения рыб, разложение стареющих частей растений, и как бы тщательно не делалась регулярная уборка (просифонивание грунта) в аквариуме, всё равно организм стареет, то есть насыщается продуктами распада органики. Эти самые продукты, пройдя все стадии утилизации (поглощения питательных веществ) различными видами бактерий, называются “гуминовые кислоты”.

Это вещество уже не способно служить для кого-либо питательной средой и является конечным пунктом биологического разложения органики. Аквариумная вода, насыщенная такими вот кислотами имеет жёлто-коричневый оттенок (при полной прозрачности). Многие рыбы отказываются размножаться в такой воде, медленно растёт молодь рыб, многие растения останавливают свой рост. В общем кислоты имеют свойства торможения развития как полезных, так и нежелательных организмов. И всё-таки наступает момент, когда даже малоопытный аквариумист начинает понимать необходимость генеральной уборки для омолаживания биологической среды аквариума.

Мы начинаем подменивать воду со второго месяца жизни аквариума, этим мы оттягиваем процесс старения среды, но процесс старения ещё ведь зависит и от количества гидробионтов (массы) живущих на этой территории и соответственно влияющих на этот процесс. Но даже еженедельная подмена воды не предотвращает процесса старения, а только существенно оттягивает, но для того, чтобы процесс оставался и далее на прежнем уровне, нам нужно (примерно после года жизни) уже не еженедельно, а два раза (потом три) в неделю делать подмены воды и чистку дна. Из сказанного нужно сделать вывод: Можно состарить систему (биологический организм аквариума) за считанные недели, а можно продержать его несколько лет.

С момента запуска в аквариуме постоянно происходят и окислительные, и восстановительные реакции. В воде присутствуют окислители (в основном кислород, реже хлор), а также восстановители (метан и аммиак). В зависимости от того, какие вещества преобладают, жидкость приобретает более или менее выраженную способность окислять либо восстанавливать. После заселения аквариума рыбами и беспозвоночными животными, в результате кормления и жизнедеятельности животных, в воде появляются продукты метаболизма. Кислород, растворенный в воде, начинает активно расходоваться на окисление органических соединений. Чем больше в аквариумной воде продуктов распада, тем больше кислорода требуется на их расщепление. Между разнозарядными веществами возникает разность электрических потенциалов.

Так, например, весьма ядовитые нитриты, образующиеся в аквариуме при разложении белков из органических веществ, накопившихся в воде, в одном случае окисляются до малотоксичных нитратов, а в другом — восстанавливаются до не менее ядовитого аммиака. Иными словами, окисление в аквариумной воде представляет собой реакцию соединения нитритов с кислородом, а восстановление — противоположную ей реакцию, во время которой нитриты разрушаются и отдают в воду кислород. По мере старения воды в аквариуме накапливаются детрит и другие продукты метаболизма, поэтому величина редокс-потенциала имеет тенденцию к снижению.

Из всего вышесказанного можно сделать вывод, что чистая вода обладает высокой окислительной способностью и, как следствие, имеет высокое значение редокс-потенциала. Большинство аквариумов имеют rH около 29 и образуют нормальный “питательный климат” для растений. Рыбы и высшие водные растения, населяющие любительские аквариумы, живут, как правило, в диапазоне окисления rH 25-35, однако отдельные виды чувствуют себя лучше в более узких диапазонах окислительно-восстановительного потенциала.

Ориентировочные показатели rH для некоторых аквариумных растений:

rH 28,3-28,5 — Аквариум требует регулярной подмены воды и просифонивания грунта. хорошо растут и размножаются криптокорины, лимнофила, апоногетоны, эхинодорус, другие болотные растения; криптокорины выдерживают несколько меньший показатель rH 25,6. Такие растения как валлиснерия, роголистник, наяс прерасно растут в более широком диапазоне (30-26), и являются наиболее неприхотливыми видами растений;

гН 29-30 — Аквариумный грунт немного заилен, можно делать первые (небольшие) просифонивания грунта. Большинство аквариумных растений развивается нормально, хорошо растут многие длинностебельники, лимонофилы, людвигии, гигрофилы, элодея, краснолистные виды растут плохо, разрастаются апоногетоны, эхинодорусы;

гН 30,2-30,6 — Быстро растут валлиснерия, роталы, эхинодорусы и апоногетоны обильно цветут; криптокорины в такой среде сбрасывают листья;

гН 30,7-31 — Это недавно обустроенный аквариум, грунт которого ещё слабо заилен. Хорошо развивается гетерантера, гидрокотила, кабомба, синнема; апоногетоны сбрасывают листья, у криптокорин загнивают корни, эхинодорусы прекращают рост;

гН 30-32 — Создаются благоприятные условия для развития в аквариуме зеленых водорослей. При этом во время вспышки плавающих водорослей “цветение воды” — подмена воды свежей вызывает усиление их размножения.

Увеличение rH в аквариуме. Анализ степени загрязнения аквариумной воды.

Для чего нужно знать величину редокс-потенциала.

Последние изменения и дополнения внесены 21 августа 2012 года.

Запись опубликована в рубрике Aсvarium с метками , . Добавьте в закладки постоянную ссылку.

Комментарии запрещены.