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El potencial redox o potencial de oxidación-reducción (ORP) es una medida muy útil que expresa la actividad de los electrones en una reacción química. En estas, se dan fenómenos de transferencia de electrones, lo que significa que hay unas sustancias químicas que actúan como donadores de electrones (agentes reductores) y otras que los atrapan (agentes oxidantes).
Esta medida, que se expresa en milivoltios (mV), está muy relacionada con la energía eléctrica, pues son estos electrones y el modo en el que fluyen por una disolución los que determinan en qué estado se encuentra la electricidad.
Es normal que ahora todo parezca confuso, pero lo iremos analizando poco a poco a lo largo del artículo de hoy. Y es que medir este potencial redox tiene muchas aplicaciones, especialmente a la hora de determinar el nivel de saneamiento de las aguas.
De hecho, la propia Organización Mundial de la Salud (OMS) afirmó que medir el potencial de oxidación-reducción es lo más fiable para determinar la calidad sanitaria del agua potable. En este artículo, pues, analizaremos no solo estas aplicaciones, sino que definiremos el potencial redox, veremos sus características y entenderemos de dónde surge esta medición.
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Protones, neutrones y electrones: ¿quién es quién?
La energía química y la eléctrica están estrechamente relacionadas. De hecho, el propio fenómeno de la electricidad sucede porque hay un movimiento de electrones a través de un material conductor. Esto es, a grandes rasgos, la electricidad o la energía eléctrica. Y estos electrones, evidentemente, pertenecen al “mundo” de la química (o de la física, depende desde qué perspectiva los estudies).
Y podemos ir un poco más allá. Y es que, ¿de dónde vienen estos electrones? Los electrones siempre vienen de los átomos de distintos elementos. Como ya sabemos, cualquier átomo está formado por un núcleo compuesto de protones (partículas de carga positiva) y neutrones (partículas sin carga) rodeado de distintas órbitas de electrones (partículas de carga negativa) que giran alrededor de este núcleo.
Si comparamos un átomo con el Sistema Solar, el núcleo de protones y neutrones sería el Sol, mientras que los electrones serían los planetas, que orbitan siguiendo distintas trayectorias conocidas como orbitales. Sin entrar demasiado en la química pura, estos orbitales son los distintos “niveles” en los que pueden situarse los electrones. Igual que la Tierra orbita el Sol siguiendo una trayectoria diferente a la de Mercurio, Marte, Venus, etc.
Sea como sea, lo importante a tener en cuenta es que lo que determina que un átomo sea de un elemento concreto (carbono, hidrógeno, oxígeno, hierro…) es el número de protones en su núcleo. Eso es “intocable”. El carbono tiene 6 protones; el hidrógeno, 1; el oxígeno, 8; el hierro, 26. Es el número de protones lo que determina el elemento.
Ahora bien, ¿qué pasa con los electrones? Y aquí es donde ya nos vamos acercando al potencial redox. Y es que en condiciones “normales”, el número de electrones es igual al de protones. Es decir, si no pasa nada “raro”, un átomo de oxígeno tiene 6 protones y 6 electrones. Y por compensación de cargas, el átomo es neutro. 6 - 6 = 0.
Pero a veces pasan cosas “raras”. Y es que si bien los protones eran más intocables, un átomo puede desprenderse o absorberse de sus electrones sin que este pierda su identidad. Un átomo de oxígeno que ha ganado (o perdido) electrones sigue siendo un átomo de oxígeno. Pero ahora no hay el mismo número de electrones que de protones, por lo que hay una descompensación de cargas.
Lo que pasa es que cuando esto sucede, es decir, cuando se ganan o se pierden electrones, estas moléculas pasan a llamarse aniones (la misma molécula con un signo negativo para mostrar que ahora tiene carga negativa) o cationes (la misma molécula con un signo negativa para mostrar que ahora tiene carga positiva), respectivamente.
Y ahora quizás pienses, ¿qué tiene esto que ver con el potencial redox? Pues, básicamente, todo. Y es que esta medida se basa en cómo las moléculas químicas son capaces de interaccionar entre ellas para “intercambiar” electrones, es decir, convertirse en aniones o cationes.
¿Qué es el potencial redox?
Si ha quedado claro el fenómeno de transferencia de electrones, ahora todo será más sencillo. Porque el potencial redox se basa en esto, en cómo se “pasan” los electrones las moléculas dentro de una reacción química y quién “gana”, es decir, si al final se han absorbido o se han perdido electrones.
Sea como sea, el potencial de oxidación-reducción es una medida que se expresa en milivoltios (mV) que indica cómo ocurren los fenómenos de transferencia de electrones dentro de una disolución, es decir, cómo será el equilibrio entre los agentes oxidantes y los agentes reductores.
Pero, ¿qué son exactamente estos agentes oxidantes y reductores? Fácil. Un agente oxidante es una sustancia química con la capacidad de sustraer, es decir, “robar” electrones de otra sustancia química conocida como agente reductor. En otras palabras, el “ladrón” es el agente oxidante y la “víctima del atraco”, el agente reductor.
Por lo tanto, si el agente oxidante ha captado más electrones de los “normales”, se convierte en un anión (recordemos lo que hemos analizado antes), mientras que el agente reductor, al quedarse con menos electrones, se convierte en un catión. En este punto, en la reacción química hay sustancias químicas que se han quedado con una carga negativa y otras que se han quedado con una carga positiva.
Y esto no solo tiene importancia en los laboratorios de química. ¿Te has preguntado alguna vez por qué las cosas se oxidan? Exacto. Precisamente por esto. El oxígeno es una molécula con un alto poder oxidante, por lo que en contacto con determinadas sustancias (generalmente metales), este oxígeno “roba” los electrones de esta superficie o compuesto. El color final propio de la oxidación es básicamente debido a esta falta de electrones en los átomos del metal. En otras palabras, los metales se convierten en cationes (carga positiva al perder electrones) y generan el óxido, que es el compuesto responsable de la coloración marrón de los objetos oxidados.
El potencial redox es una medida química que determina si las cargas eléctricas están o no en equilibrio. Si este potencial redox es 0, quiere decir que hay un perfecto equilibrio entre aniones y cationes en la reacción química. Si el potencial redox es negativo significa que ha habido una reducción, es decir, el poder reductor es más fuerte que el oxidante. Si el potencial redox es positivo, significa que ha habido una oxidación, es decir, que el agente oxidante es más fuerte que el reductor.
Esto es, en esencia, el potencial redox. Una medida que se expresa en milivoltios (mV) y que indica si en una reacción química habrá una oxidación (se perderán electrones) o una reducción (se ganarán electrones). Más adelante veremos exactamente qué utilidad tiene conocer estos valores.
Redox y pH: ¿cómo se relacionan?
El pH es un concepto bastante distinto al potencial redox, pues es una medida que indica el grado de acidez de una disolución. Y decimos que es diferente porque con el pH medimos la actividad de los protones, no la de los electrones. Pero a pesar de que sean distintos, están relacionados. Veamos por qué.
El pH de una disolución es un valor (sin unidades) que se encuentra en una escala del 0 al 14, donde el 0 es la máxima acidez (no hay nada con un pH de 0, pero lo más cercano es el ácido clorhídrico) y el 14 el mayor valor de alcalinidad (que lo tiene la sosa cáustica). El agua tiene un pH neutro, de 7.
El pH depende de cómo los protones de una sustancia química reaccionan con el agua para dar iones hidronio (H3O+). Cuanto mayor sea la concentración de estos iones, más ácido será. Y como más baja sea (entonces habrá más iones hidroxilo, de fórmula OH-), más alcalina será. Como vemos, el hidronio es un catión (tiene carga positiva) y el hidroxilo un anión (tiene carga negativa), así que ya nos vamos acercando al redox.
Pero lo importante y lo que permite relacionar esto del pH con el artículo de hoy es que las reacciones de oxidación-reducción vienen acompañadas de variaciones en el pH. Y esto es especialmente importante para las aplicaciones del potencial redox.
Como hemos dicho, el principal interés del redox es utilizarlo para el saneamiento de las aguas. Muy bien, pues centrémonos en lo que sucede en el agua. El agua puede oxidarse o reducirse dependiendo de las condiciones.
Cuando el agua se oxida (si tiene un potencial redox positivo), se producen más iones hidronio (de carga positiva), pues recordemos que el agua está captando electrones y los roba a los demás. Por lo tanto, la oxidación del agua lleva a una consecuente acidificación.
En cambio, cuando el agua se reduce (si tiene un potencial redox negativo), se producen más iones hidroxilo (de carga negativa), pues recordemos que el agua está perdiendo electrones y hay otra sustancia que los capta. Por lo tanto, la reducción del agua lleva a una alcalinización de la misma.
Potencial redox y saneamiento del agua
Gracias tanto al efecto directo del potencial redox en cuanto a energía eléctrica como al efecto indirecto con el pH que acabamos de analizar, la Organización Mundial de la Salud (OMS) determinó, ya en los años 70, que el potencial redox es la medida más fiable para determinar la calidad sanitaria del agua potable.
Conocer y regular el potencial redox del agua destinada al consumo es imprescindible para asegurar una correcta eliminación de bacterias y virus. De nada sirve utilizar desinfectantes y otros procesos químicos si no mantenemos el potencial redox del agua en los límites adecuados. Gracias a la regulación del potencial redox, conseguimos eliminar bacterias y virus sin necesidad de utilizar demasiados compuestos químicos tóxicos.
El potencial redox es determinante a la hora de determinar la calidad del agua. Si conseguimos mantenerlo en 650 mV, sabremos que la reacción es oxidante y que el agua está acidificada perfectamente para que las bacterias coliformes (las que más frecuentemente contaminan el agua) sean eliminadas en menos de un segundo. Si está por debajo, cada vez tardará más en conseguirse la desinfección. De hecho, en valores de 500 mV ya se tarda una hora en conseguir la desinfección. Pero es que si está por debajo, no se eliminan las bacterias. Más alto de 650 mV no puede ser ya que el agua sería demasiado ácida.
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Pero no es solo útil en el saneamiento de las aguas para el consumo humano. Todas las otras aguas son analizadas en cuanto a potencial redox para determinar si hay una correcta desinfección. La regulación del potencial redox es útil en el tratamiento de aguas residuales industriales, para ver si las piscinas cumplen con los requisitos (tendría que tener un potencial redox de 700 mV) y si los acuarios de agua dulce (250 mV) y los de agua salada (400 mV) están en condiciones que permitan el flujo del ecosistema pero sin que haya contaminaciones peligrosas.
En resumen, el potencial redox es una medida que permite determinar la calidad de cualquier agua. Y gracias a la posibilidad de regularlo, podemos mantener unas condiciones sanitarias de desinfección adecuadas sin abusar de productos químicos. Si sabemos con qué intensidad el agua gana o pierde electrones, podremos saber si el agua es apta o no para su consumo o uso.
