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ORP(Oxidation-Reduction Potential;酸化還元電位)法

1. ORP法による新たな水評価の理論

 温泉水を含む水が、鉄などの金属を錆びさせる酸化系の水であるか、その逆の錆を抑制する還元系の水であるかを測定、評価する方法として、ORP法は有効な手法となる。具体的には、図1に示すORPとpHの関係を理解する必要がある。

 

 

pHは、水素イオン濃度([H+])、すなわちプロトンの濃度(活量)の逆数の対数(pH =-log[H+])として定義され、pH 7 ([H+] = 10-7 mol/L;0.2μg/L)の中性を基準に、プロトン濃度の高い酸性(pHが低い)と、低い(pHが高い)アルカリ性に水が分類できる。

一方、電子濃度([e])を電位に対応させたものがORP([V])で、水のORPはpHの関数として、ネルンストの式に基づき(1)および(2)式で表される

ORP = 1.23 – 0.059 pH         (1)

(O2 + 4H+ + 4e ⇄ 2H2O)

 

ORP = –0.059 pH         (2)

(2H+ + 2e ⇄ H2)

(1)および(2)式は、それぞれ水が酸化分解および還元分解する境界線を表し、図1の上下の実線に対応する。それ故、通常の大気環境下では、水は上下の境界線で囲まれた領域に存在する。また、pH 7の中性と同じように対応する電子濃度、平衡ORP(ORPeq)は筆者らが実験的に求めた(3)式および図1の破線で示される。

ORPeq = 0.84 – 0.047 pH     (3)

すなわち、(3)式のORPeqは、水の電子的な平衡系を示し、その破線より上の電子濃度が低いORP領域は水が酸化系を、破線より下の電子濃度が高いORP領域は水が還元系を示す。それ故、酸化系の領域に属する水は、鉄などの金属を酸化(錆び)させ易く、一方還元系に属する水はその逆の酸化(錆び)を抑制する水となる。人間においても、加齢は活性酸素などによる酸化作用に関係することから、還元系の水は酸化を抑制し、老化抑制につながると期待できる。しかし、還元系がすべて良いとは限らないことも認識しておくべきである。なお、(1)から(3)式のORP値は、いずれも25℃での水素電極に基づいた標準酸化還元電位を示す。本来、ORPもプロトン濃度を表すpHと同様に、電子濃度の逆数の対数、pe(=-log[e])、として表した方が、統一性がある。しかし、peメータとして発売されていないことから、ここではpe-pH関係でなく、ORP-pH関係を採用する。

ORP-pH関係を、温泉水を含めた各種水について測定することにより、それらの水が酸化系、平衡系あるいは還元系にあるかが分かり、水の状態が評価できる。

図1 水のORP-pH関係

具体的に水の状態を評価するためには、ORP測定に加え、pHおよび温度測定が必要になる。ORPは(1)~(3)式に示すようにpHの関数であることから、ORPのみを測定しても、pHを併せて測定しない限り、ORPによる水の評価はできない。例えば、図2に示すようにORP値が同じ0.5 [V]で、pHが3, 7, 10と異なる3種類の水(●印)があるとすると、(3)式の平衡ORPeqの破線により、ORP値が同じでも、pH 3の水は平衡ORPeq線より低く還元系、pH 7の水は線上の平衡系、pH10の水は平衡線より高い酸化系と、水の特性がpHによりそれぞれ異なることが分かる。ORPのみを記述した水商品で、ORPがマイナスと低くなっていることを強調した宣伝を多く見受けるが、明らかなようにpHなどのデータの記述が無い限り、これらの主張は正しい意味を持たないことが理解できると思われる。さらに、ORPやpHは温度の関数でもあることから、異なった温泉水や水を比較する場合、同じ温度での比較が重要となる。そのため、温度のデータも重要となり、温度換算も必要となる。

図2 pHの異なる3種類のORP-pH関係に基づく水の評価

2.水のORP-pH測定

図3に、ORPとpHメーターの一例を示す。これまではORPとpHメータが別々の機器(左図)で測定されていたが、最近のものでは1つのORP-pHメータとして、両データが同時に測定可能(右図)となっているものもある。これらの機器では、温度も併せて測定できる。

ORPの測定値は、通常塩化銀電極を用いていることから、別途HPのORP換算ソフトを立ち上げ、ORP, pHおよび温度のデータを入れることで、温度25℃、標準水素電極電位に換算され、ORP-pH関係で表示される。図4に示す各々の水が、酸化系、平衡系、還元系にあるかが評価可能となる。


図4 各種水のORP-pH関係

投稿日:2019年9月4日 更新日:

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