ORP不应该被用来估计或水H浓度进行比较₂:一个在网上分析和叙述剧情简介

1介绍

氧化还原电位(ORP)是一种常用的测量来评估水的氧化或还原属性。这个测量经常被用作水的健康福利的指标还原时,当氧化或有害的影响。具体地说,它经常被用来描述所谓alkaline-ionized水和最近氢水(李et al ., 2022)。多年来,碱性离子水被研究和宣传为一个健康治疗水(陈和王出版社,2022年版)。水离子发生器进行电解和阴极和阳极分开半透膜,以防止水混合。阴极水碱性pH值,通常被称为碱性离子水,或者是文学作品中最常见的电解铝水一并(减少Shirahata et al ., 2012)。氧化还原电位(ORP)计是由研究人员和营销人员常用的证明一并有“不同”属性与其他类型的水。一并具有负面ORP阅读(100−−750 mV号或更多)相比其他水域,有积极的ORP阅读(Shirahata et al ., 2012)。努力解释的原因和意义的负面ORP催生了许多猜测,包括电阻焊有一个“特殊结构,它包含“自由电子。“这可能是因为它只有相对最近认识到氢气(H₂)由电解溶解在水治疗效果(沢et al ., 2007;LeBaron et al ., 2019 a)。因此,许多早期一并论文,目前营销网站和宣传册关注的负面ORP一并(Shirahata et al ., 2012)。负ORP的常见观点,“ORP越消极,治疗效益”(Okouchi et al ., 2002)。

最近,它已被广泛认识到,一并的好处是由于水中的溶解氢分子(杰克逊et al ., 2018)。电解水的方法使水含有溶解氢(氢水)。氢水被公认的疗效,研究人员和消费者想要知道多少氢溶解在水里。从逻辑上讲,除非足够高剂量的生物活性物质(如H₂摄入),它不会有生物活性的临床研究证明(LeBaron et al ., 2019 a)。许多人试图使用ORP米比较一个氢水到另一个,以及估计H₂水的浓度。此外,相对廉价的ORP-based便携式“溶解氢米”近年来出现在市场上。ORP-based H₂米显示的数字显示H₂浓度的单位比较/百万之物质(ppm /含量(李et al ., 2022)。表面上看,似乎这些米可能是一个很好的选择确定H₂浓度。然而,这些ORP-based H₂米只测量水的ORP,没有特别的氢分子。此外,尽管负面ORP表明还原解决方案,但这并不意味着解决方案将作为减少和抗氧的解决方案。因此,深入了解实际的化学负责具体ORP做任何明确的结论(之前是必需的詹姆斯et al ., 2004)。

本文将解决一些负面ORP周围的许多问题一并和氢水包括H的影响₂、pH值和温度。这不是本文的目的提供一种氧化还原化学或电化学理论的详细描述。有兴趣的读者被称为其他文章和标准化学文本(如。,(詹姆斯et al ., 2004;哈里斯,2010]。然而,某些方面的介绍了化学为了讨论ORP和氢水pH值/温度之间的关系。具体来说,我们将专注于负面ORP和ORP-based H₂米能不能告诉我们关于氢分子在水中的浓度。

我们提供的概述ORP意味着什么,它是如何决定,其溶解氢气的关系。我们还展示了在网上计算基于能斯特方程研究之间的关系的溶解氢水平₂天然气、pH值、温度、ORP测量。最后,我们给出一个实际的总结和建议关于使用ORP, ORP-based氢米,而准确的测量方法溶解氢气的水平。

2背景

2.1氢水

术语“氢水”或富氢水(HRW),指的是水,其中包含溶解氢分子(H₂气体)(Slezak et al ., 2021)。提供氢水的常见方法包括电解水离子发生器,hydrogen-infusion机器,利用膜”其本身就具有交换质子,平板电脑生产H₂气体时,放入水,H₂天然气喷水式饮水口注入H₂入水中,和特殊包装罐装和袋装所示图1(亨利和Chambron, 2013年;LeBaron et al ., 2019 a)。氢分子是由一个相对稳定的非极性共价键结合在一起,这意味着,当它溶解到水中,它没有化学与水分子结合。换句话说,氢水并不是一个新颖的化学物质(例如,“H₄O”)。当H₂分子完全溶解在水中,解决方案是明确的。有时小气泡可以看到最初在氢水或甚至可能有一个“模糊”的外表,但是,除非是溶解,它并不能促进ORP或治疗效果。这是因为任何未溶解的H₂将容易上升到水面和逃逸到大气中。H₂永远不会停留在解决方案。在一个开放的容器的半衰期约为2小时(Fujita et al ., 2009)。氢的高波动性结合小分子大小可以渗透到大多数容器除了特殊铝包装(太,2015)。

溶解氢通常以物质的量浓度(更易/ L)或毫克每升(毫克/升),这是首选的测量单位,而不是单位相当于ppm (ppm)。最常用的浓度的氢分子0.5 > 2 mg / L (LeBaron et al ., 2019 a)。在标准压力(1 atm)和环境温度(25°C),氢的饱和水约为1.6 mg / L (Alwazeer et al ., 2021)。增加压力和/或改变温度会导致更大的饱和水平根据亨利定律(詹姆斯et al ., 2004;哈里斯,2010)。

2.2负氢水的氧化还原电位

如前所述,氢水和一并氢分子将有负面ORP(-100到-750 mV或更多)(Shirahata et al ., 2012;陈和王出版社,2022年版)。这种消极的ORP经常被吹捧为证据,水已经传授的“特殊属性”电解或生产过程。这些特殊性质包括声称集群更小更可利用分子水,或水本身具有“负电荷”由于“自由电子”携入的水(莫尔,2016)。尽管化学的基本理解足以反驳这种观点,他们继续获得牵引力。这些说法对1)添加到混乱的意义/原因- ORP, 2)的真正原因一并/氢水的好处,和3)的方法来比较和对比两个水的好处。应该认识到,这是完全溶解氢的存在₂在一并负责负ORP (Piskarev et al ., 2010;Shirahata et al ., 2012)。在电解过程中,电力生产氢分子在阴极将质子(H⁺)H₂(g),在电解的单位,有专门的膜分离阴极和阳极电极,这些氢离子的减少导致阴极电解液的pH值增加(亨利和Chambron, 2013年)。电解的过程并不传授水特别神秘的属性。事实上,任何H₂水,包括不使用电力(例如,H₂第药片或注入H₂成解决方案),也有负ORP (杰克逊et al ., 2018)。因为它是良好的氢分子是专门负责电焊/氢水(治疗的好处杰克逊et al ., 2018),然后重点应该是确定的H₂,而不是ORP值。消极的ORP只是一个指标存在的氢分子。此外,负面的大小ORP阅读不提供有用信息的氢分子在水里经常建议(Okajima et al ., 2022),将在本文中讨论。

2.3氧化还原电位计

看到的ORP计图2是一个仪器常用的技术人员在各种商业和工业领域,如环境、污水处理、食品和饮料工业(Awulachew 2021;Kondjoyan et al ., 2022;吴et al ., 2022)、游泳池和水疗中心和园艺(阿里和达伦,2014)。高正的ORP可以指示消毒药物的有效性(氧化剂)用于杀死各种病原体在水(金正日et al ., 2000)。这ORP计运行在许多方面类似传统的电压表,主要区别是ORP传感器电极。因为金属传感器由惰性金属铂,不积极参与氧化还原化学。ORP阅读是由比较产生的电压从铂电极内部二级silver-silver氯电极内部调查发现住房(阿里和达伦,2014)。

有不同类型的ORP米,从消费级单位到更复杂的工业/实验室模型。便携式的通常的探测器集成到住房计本身。大型ORP米探针位于外部在一个单独的外壳,然后连接到一个灵活的电缆,仪表。当电极浸在样本水,电子或接受捐赠的探测器在铂表面。的交换电子仪表的内部使用电子产品来生成一个基于其内部参考电压测量。ORP计将数字显示毫伏的电压(mV) (哈里斯,2010)。根据类型的化学物种在水中,显示的电压将是正面的还是负面的。氢气只有一个许多减少化学物种可以给消极的ORP阅读。

2.4氧化还原电位和电压的潜力

水的氧化还原电位表示倾向于被氧化或还原。讨论ORP通常集中在“O”(氧化)和“R”(减少)(阿里和达伦,2014),但有关“P”的详细描述(潜在)组件不经常发生。ORP描述某种类型的电势和它的单位是伏特(V)表示。该电压读数实际上告诉我们什么水,并会解决这个潜在的来源。

首先,电压是两点之间的电势能的差异(Vujevićet al ., 2011)。这是因为一个对象不能有一个“电压”;必须测量两点间的电位差。例如,九伏特电池图3“没有9 V的电压。“九伏特之间可能只存在积极和消极终端。这类似于海平面高度是如何引用,引用或温度水的冰点。图2显示了这些点,电子转移发生的ORP铂电极,和内部的参比电极。

电压可能是本质上的工作量,可以使用电力(电子的流动)。一个电池潜在的做的工作,因为我们可以测量其电压。一个典型的电压表测量存储电池的两个终端之间的潜力。

重要的是,电压可能仅是指电子可能转移的趋势和方向,而不是电子转移的数量。潜在电压越大,越大的趋势。然而,是否真的将是一个电子转移和数量,取决于电阻的电路,电子的流动。同样,电子转移的潜力的ORP计并不意味着将容易发生电子转移。例如,如果电线连接灯泡和电池有高电阻由于腐蚀,然后,尽管多好电池,其电压潜力可能并不足以克服阻力。同样,化学反应需要能够克服另一种类型的阻力(例如,活化能),可能需要从外部源(如热)才能进行(布兰科和布兰科,2022)。

在生物系统,一些不那么显而易见的形式的完成工作。例如,当一种抗氧化剂与中和活性自由基,反应工作执行(Angele-Martinez et al ., 2022)。消极的ORP本身并不告诉我们如果一个解决方案将体内起到抗氧化作用。这不仅取决于身份和浓度的化学剂负责生产- ORP,而且如前所述,在反应的能力克服“化学”电阻,自行或与帮助(例如,酶催化)(布兰科和布兰科,2022)。因此,尽管“潜在的”这个词特指电压的潜力,这个词也传达一个意思,“可能性。”因此,尽管负面ORP表明潜在的抗氧化,其他因素也必须有利才能继续。

2.5氧化和还原

“O”,在ORP代表“氧化”和“R”为“减少。“这就是氧化还原的红色的油脂和牛idation来源。氧化还原反应是化学反应涉及两个不同的化学物种之间的电子转移(离子、原子或分子);一个物种接受电子,而另一个物种捐赠电子(纳尔逊et al ., 2008)。氧化和还原反应必须发生相互结合,即。当一个物种失去电子,另一个必须获得电子。物种,失去电子发生氧化,而收益减少电子经历的物种(各2020)。配置电子的规定一种物质的化学性质。因此,当电子构型受氧化还原反应的影响而改变,这种物质有一组不同的化学特征。事实上,监视氧化还原电位的变化可以预测食品的氧化(如脂类,肉类,营养)(Kondjoyan et al ., 2022)和食品质量(Bhunia et al ., 2017),以及确定食品包装为细菌生长环境是否良好(Roussel et al ., 2022)。

氧化还原反应,生成O₂和H₂气体在电解水的氧化和还原反应同时发生在阳极和阴极,分别。在电解过程中,阴极的电子供应减少氢分子(即氢离子。2 h⁺+ 2 e⁻→H₂)(哈里斯,2010),如中描述图4。这个反应发生立即(甚至不考虑电子和质子隧道,也出现)(Hofbauer和弗兰克,2012年),也就是说,电子从阴极不“游泳”的“自由电子”(Hofbauer和弗兰克,2012年)。

反应开始的两个小时⁺离子,本质上是两个质子(没有电子),氧化还原反应后,H₂分子形成,有两个电子共享。电子的结果在一个能源潜力的差异(即两个氢之间的物种。H⁺和H₂)。这两种化学物种代表了“潜在的”工作,,在水中时,由ORP计可以测量。改变这两种物种的浓度会影响ORP。

如前所述,每个还原反应都有一个相应的同步氧化反应。减少发生在阴极,形成H₂(g),在阳极发生氧化,形成O₂(g)。具体来说,在阳极,氢氧根离子(哦⁻)氧化生成O₂(g)水(H₂O),和电子(即。4哦⁻→O₂+ 2 h₂O + 4 e⁻)。发送了电子的阳极连接到电源的正极(曾庆红、张,2010)。

在传统的碱性水离子发生器,阳极和阴极室与膜相互隔绝,防止两种类型的水混合(亨利和Chambron, 2013年)。当水从主(饮用水)软管将测量消极的ORP,水来自其他软管具有积极的ORP (亨利和Chambron, 2013年)。这水措施积极ORP因为产生酸性水含有不同的氧化还原夫妇(例如,氧气和/或氯物种),而不是H⁺/小时₂氧化还原电对(阿里和达伦,2014)。其他类型的设备,不使用任何膜会产生水含有溶解氧和氢气。在这种情况下,水会氧化,减少氧化还原夫妇在pH值接近中性。因为我们讨论ORP集中在阴极产生氢气,我们不会花时间检查阳极反应或其详细ORP /氧化还原的夫妇。有兴趣的读者是指(教唆者et al ., 2012)。

2.6氧化还原电位和氧化还原电对的

每个化学物种都有自己的内在倾向于放弃或获得电子。他们可以根据分类测量电压的潜力。这些电压势被称为“标准还原势”表示°E(哈里斯,2010)。表1显示了标准的潜力减少常见的半电池反应在标准条件下的浓度,压力,温度。他们的计算值是相对于标准氢电极(她),已分配任意潜在的0.000 mV (哈里斯,2010)。

那些最消极的氧化还原电位是最强的减少代理,反之,那些积极的氧化还原电位最高最强的氧化剂。虽然表1给出了标准的还原电位,ORP米报告潜在的非标准(或正式)条件下。ORP的大小看,无论是积极的还是消极的,取决于特定的身份和氧化还原电对的每一物种的相对浓度(哈里斯,2010)。积极的ORP表明化学物种溶解在解决方案将倾向于作为一个氧化剂,而消极的ORP表明水中的化学物种会更容易作为还原剂。

2.7氢氧化还原电对

虽然有许多氧化还原化学夫妇,其中一些注意表1,我们关心的是H⁺/小时₂氧化还原电对的。这个氧化还原电对的反应在两个氢离子(H⁺)每接受一个电子,使一个分子的H₂(2 h⁺+ 2 e⁻→H₂)。也可以写成一个氢离子接受一个电子形成原子氢(即。H⁺+ e⁻→H^•)。然而,原子氢自由基,迅速与另一个原子氢反应生成氢气(即。H^•+ H^•→H₂气体)。反应的一半乘以系数并没有改变E。氢离子(H⁺)是氢的氧化形式,不含电子,和H^•或H₂减少的形式,分别包含一个或两个电子(看到了吗图4)。H⁺离子没有任何电子,但一个质子愿意并准备接受电子。新成立的H₂分子,另一方面,包含两个电子,这允许它(在合适的条件下)捐款,作为减少(或anti-oxidizing)代理(沢et al ., 2007)。

2.8氢离子(H⁺)浓度(pH)

回顾一些关于pH值的主要概念是有帮助的,我们会看到,它有一个强大的影响ORP阅读(杰克逊et al ., 2018)。这个词,pH值,代表“氢的潜力,”和氢离子的浓度的测量(H⁺)(纳尔逊et al ., 2008)。氢(H⁺)离子本质上是水的酸性成分。H就越大⁺浓度,酸性水。ORP阅读pH值有直接的影响,因为这两个物种之一,H⁺离子,是我们的(即氧化还原电对的兴趣。H₂/小时⁺)。pH值范围是一个更容易理解的方式来表达非常小的数字作为十(指数)的权力,而不是使用相当于更繁琐的科学记数法。例如,而不是写1×10⁻⁷或0.0000001 H⁺浓度、pH值我们可以写7。pH值范围是一个H的浓度的对数刻度⁺离子表示为负10的力量,和从0到14岁。方程是pH =−日志(H⁺]。

重要的是,因为pH值是一个对数函数,pH值的变化代表了每单位10倍的变化H⁺浓度。因此,相对较小整数pH值的增加,代表了非常大的变化⁺浓度。因此,pH值为0代表一个1 M H⁺离子浓度,而14 pH值代表一个非常低的H⁺(1×10⁻¹⁴米)的浓度。H的浓度⁺离子决定的水被认为是中性pH值(7),酸性(7)以下,或碱性(上图7)。表2阐述了指数(对数)pH值之间的关系和氢离子的浓度。

重要的是,pH值与溶解H无关₂气体。然而,一些方法用来制造氢水会改变水的pH值。例如,一并由一个碱性离子发生器有碱性博士这发生由于电解水,在氢离子H₂在阴极。pH值的增加,因为H⁺离子(酸)被消耗,哦⁻离子(基地)增加(亨利和Chambron, 2013年)。不幸的是,增加pH值之间的相关性和溶解氢气一并导致混乱。进一步加剧了这一误解的事实pH - ORP越大越高,通常认为表明更多的氢气。事实上,一些营销人员混淆术语pH值和错误地解释它的意思是“氢气的潜力,”错误地暗示pH值越高的氢气浓度越高,而不是更正确的意思“氢离子的潜力”,这意味着越高pH值较低的氢离子浓度(不高)。冒泡H₂气体并不会改变水的pH值因为氢分子是酸性的和基本的,因为它不容易捐赠或接受H⁺离子(Korchef 2022)。

2.9能斯特方程

德国化学家欧内斯特制定现在广为人知的能斯特方程(修剪机,1987)。能斯特方程表示的热力学关系的标准氧化还原电位的有效浓度(活动),压力,温度和化学物种的非平衡条件下进行氧化还原反应(修剪机,1987)。在电化学领域,它也许是最有益的方程。情商。描述的广义形式能斯特方程:

能斯特方程可以用来确定溶解氢气的贡献,pH值和温度影响ORP阅读。为了利用能斯特方程计算预期ORP值电焊/氢水,我们需要用的值代替氢的半反应:即。2 h⁺(aq)+ 2 e⁻→H₂(g),因为E⁰,标准电池的潜力,为氢半反应(见是零表1),我们可以消除这一项。“(红色)”一词代替氢气的压力,”PH₂”,这是氢的形式,和术语“(牛)“氢的氧化形成的浓度,”H⁺”。

的最终形式的能斯特方程用于分析所示情商。:

地点:

•E,能斯特伏特(ORP)的潜力,

•R,通用气体常数,8.314 J•K⁻¹摩尔⁻¹,

•T、温度、298.15⁰K (25°C),

•n的电子转移反应,2,

•F,法拉第常数,96485 Cmol¹(电子电荷/摩尔),

•(H₂),氢气浓度(分压,PH₂),

•(H⁺),氢离子浓度(来自pH值)。

图5说明了两种化学氢从修改后的能斯特方程(情商。),形成我们的“氧化还原电对的兴趣。“这个词提供了有用的洞察ORP是如何决定的。

氢的氧化和减少的形式代表了两种化学物质在水中的浓度主要导致氢水的氧化还原电位。而水通常包含多个氧化还原的夫妻不同的氧化还原电位结合产生整体ORP (阿里和达伦,2014),在我们在网上计算,我们只考虑H₂/小时⁺氧化还原电对的。

3调查的氧化还原电位随着pH值的函数,H₂和温度:在网上从理论分析和计算

氢的水,ORP阅读基本上是依赖于两个因素1)氢分子浓度,和2)H⁺(pH)浓度。这两个物种之间的关系提出几个问题:

•什么浓度的氢分子需要实现一个消极的ORP ?

•什么学位ORP应对pH值的变化,温度,和H₂浓度?

•ORP测量可以用来估计氢分子的浓度?

•可以从两个不同的ORP测量水样进行比较来确定哪一个更有溶解H₂吗?

我们调查这些问题通过一个在网上使用能斯特方程分析。我们评估温度变化,H⁺,和H₂影响ORP阅读。这个分析的结果说明,下面讨论每一个变量。

3.1溶解H之间的关系₂浓度和氧化还原电位

通过保持pH值、温度和压力不变,我们只能决定如何改变H₂ORP浓度的影响。图6显示了一个H预测ORP的读数₂浓度为0.5 mg / L 50 mg / L的pH值7。记住,H₂饱和纯水在标准环境温度和压力(SATP)约为1.6 mg / L,研究和典型的范围是0.5到2 mg / L。

溶解H之间的₂浓度为0.5 mg / L 2 mg / L,消极的ORP减少只有18 mV。这个相当小变化ORP混淆了事实是H增加四倍₂浓度,治疗,可能会没有效果和临床效果之间的差异。此外,增加浓度从0.5 mg / L 50 mg / L,消极的ORP减少从399−−459 mV,只有59.16 mV更加消极。尽管如此高的溶解H₂水平可能只可以在实验室条件下实现,这一点,然而,说明了多么小ORP回应甚至在H非常大的变化₂浓度。

此外,能斯特方程预测,H₂只有1×10的浓度⁻⁵mg / L(数量级低于治疗水平),就需要产生一个负ORP−260 mV。然而,溶解H₂浓度低只会产生这个特定的负面ORP”,“只有基于能斯特方程不考虑任何其他氧化还原夫妇在水里。事实上,比自然溶解在水中氢(≈8.65×10⁻⁷mg / L)与5.5×10在平衡⁻⁵% H₂在大气中。然而,由于氧化的氧化还原夫妇在更高浓度也溶解在溶液中(例如,一个氯和/或氧物种),常规水措施积极的ORP。然而,这个例子表明,即使浓度很低的H₂能产生负面的ORP。它还说明了多少ORP阅读可以告诉我们多少H₂解决方案包含。

3.2酸碱度和氧化还原电位之间的关系

评估变更的影响只有H⁺浓度(pH)对ORP,我们可以改变pH值,同时保持一个恒定的H₂浓度和温度。图7描述了六种不同的预测ORP读数的pH值,在同一温度(25°C)和溶解H₂浓度(1.57 mg / L)。可以看到,与弱H的影响₂ORP, pH值的大小变化是非常重要的。

例如,从六到十一随着pH值的增加,有一个显著增加负ORP,从mV 355−−651 mV。ORP变得更加消极的296 mV,而温度和H₂浓度保持不变。因为ORP的变化几乎完全pH值的变化,ORP阅读的大小并不提供任何有用的信息的实际浓度氢分子在水里。

3.3比较H的影响₂氧化还原电位和pH值

检查后的个人影响的差异₂和pH值对ORP,也是信息来评估他们的共同影响。图8表明和两个水平轴的图形块的行ORP vs . H₂和ORP与博士与前面的示例相似,ORP的图形与pH值H₂常数为1.57 mg / L, ORP的图形与H₂pH值保持中立。在这两种情况下,温度保持恒定在25°C。

见图8在常见的氢分子浓度范围(0.5 - 2 mg / L),只有18 mV的ORP将偏离。然而,在给定的pH值范围内(6尺11寸),296 mV的ORP将会改变。这些例子清楚地说明,ORP阅读主要是由水的pH值,从H的贡献₂相对较小。

3.4为什么pH值对氧化还原电位的影响大于H₂吗?

它迄今为止证明了在网上分析ORP读数变化主要与pH值的变化和无关紧要的变化在H₂。我们简要总结一下为什么这是真的。

3.4.1 H浓度⁺表达指数(pH)

正如前面所讨论的,pH值范围代表氢离子浓度的变化的权力10。因此,增加一个单位的pH值对应于一个氢离子浓度(10 10倍减少¹= 10)。自从小pH值的变化对应于H指数变化⁺浓度,即使是看似很小的pH值的变化代表了一个非常重要的H的真实浓度的变化⁺离子。是常见的氢水的pH值跨度超过几个单位的pH值,这意味着H⁺可以随浓度100000倍或更多。

3.4.2 H浓度₂线性表示。

与H⁺的浓度,H₂浓度在线性范围内表示,毫克每升(毫克/升),跨度范围的浓度显著小于H⁺。因此,相比大的变化可能在H⁺,H的变化₂通常代表相对较小的变化。例如,表达浓度的H₂等十大国pH值,然后浓度范围为0.5 5 mg / L代表改变只有十倍,甚至接近100000种可能的因素经常遇到与氢水pH值的范围。这个不等式之间的浓度范围₂和H⁺说明了为什么H₂影响ORP阅读明显低于博士此外,尽管改变H₂水平从0.1 mg / L 1 mg / L对ORP听不清影响,因此似乎很小,它,然而,从治疗中获益的角度来看是非常重要的,(Slezak et al ., 2021)。

3.4.3能斯特方程有一个指数的数学操作(H⁺)项。

图9我们的注意力集中在H₂反应方程和能斯特方程使用H₂/小时⁺氧化还原电对的。这说明pH值的控制力量的另一个原因ORP阅读:

蓝色的盒子里图9,分母”(H⁺)”,包括指数“2”之外的括号(用红笔圈出来的),而分子(H₂),不。下面的方程表明,这个指数的来源是“e的系数⁻”。能斯特方程要求使用的电子数量将氧化物种(H⁺)氧化还原电对的简化型(H₂气体)必须表示为一个指数(H⁺)项。还原反应所需的电子的数量必须占在计算新还原电位(哈里斯,2010)。这个指数的“2”表示[H⁺)项必须提高的2次方(广场),其价值,当pH值表示为,已经一个指数H的表达式⁺浓度。然而,没有类似的指数函数的执行PH₂术语。通过改变H⁺浓度的10倍,Q(商)改变了100倍,从而改变ORP 59.16 mV。在25°C,问10倍的变化改变了ORP 59.16 / n mV。在我们的例子中,n= 2,这意味着100倍的变化问改变ORP 59.16 mV是必要的。这可以通过改变H⁺浓度的10倍(pH值的变化1个单位)因为它是分母(10平方²= 100),或者通过增加H的浓度₂100次。这个指数的数学操作的能斯特方程澄清为什么表面上微小的水的pH值变化(甚至只是几个趋近)导致如此大的变化对ORP阅读,本质上,压倒的相对听不清影响H₂ORP。

这三个点清晰地说明了为什么即使表面上小pH值的变化代表实际H指数大的变化⁺浓度。因此,大型pH值对ORP测量压倒小H的影响₂,有效地“控制”ORP阅读。

3.5氧化还原电位和温度之间的关系

大多数ORP米没有温度探测器,调整电压读数。相比非常小的氢分子对ORP的影响,温度差异更显著。ORP对温度的依赖关系是一种内在的一部分能斯特方程,包含在RT / nF。因为n(电子)= 2,唯一任期RT / nF不是一个常数是温度(T)。这意味着,即使不考虑氧化还原电对的比例,每个∆T 20°C时,变化的ORP≈30 mV。这是与改变H₂浓度的10倍(0.1 mg / L 1 mg / L),本质上是一样的改变½单位的pH值。这些变化在ORP作为温度的函数所示图10,问的价值保持不变,保持H⁺和H₂压力恒定(pH值7;压力,1 atm)。随着温度的增加,负ORP的大小增加,尽管H的实际浓度₂减少。例如,在0°C H的溶解度₂为1.96 mg / L,这使−379 mV;然而,在100°C, H₂溶解度只有0.97 mg / L但是现在ORP−518 mV。根据能斯特方程,pH值为7到25°C, H的浓度₂需要产生相同的−518 mV是5500 mg / L。因此,所示图10尽管H的溶解度₂在0°C相比,几乎是两倍的100°C, ORP的变化会给错误的印象,而不是减少到两倍,H₂浓度增加了近3000倍。

这可以在实际应用具有非常重要的意义。例如,使用一个ORP-based不包括温度补偿方法来估计H₂浓度的冷氢水(例如,存储在冰箱里)的溶解度H₂较高,会给你一个不太负面的ORP阅读,低估了实际H₂浓度测量相比,它在室温(25°C)。同样,研究人员使用这个ORP的方法来估计H₂浓度在孵化温度(37°C)会高估实际的H₂浓度。

3.6大的氧化还原电位的负增长并不意味着更多的氢分子

已经证明,消极的ORP阅读不能直接与任何特定的水氢分子的浓度有关。然而,问题是,是否有可能比较从两个不同的水样ORP阅读评估它们包含的相对大量的氢分子。从理论上讲,这是可能的如果我们知道确切的pH值,温度,ORP只有H₂/小时⁺氧化还原电对的。然而,由于ORP和ORP-based H₂米通常没有这个信息,他们必须承担一个精确的pH值和温度,可能7到25°C,如前所述,很少的水。尽管如此,从表面上看,一个理性的假设可能是水的负面ORP越大,氢分子的浓度就越高。然而,数据表3显示了为什么这种假设不一定是正确的。

Hypothetically-measured orp的氢水在不同的pH值,溶解H₂水平和温度所示表3。此外,预计H₂浓度的基础上,假设ORP阅读,不修正酸度和温度(假设7到25°C),。因为样品的pH值是一个单位的pH值高于B,它有一个更消极的ORP,即使B H浓度的两倍₂。同样,示例C在较高的温度下似乎有更多的H₂比样品B尽管少38% H_2。此外,可能会有许多单独排列略增加pH值和温度升高,或许看上去并不严重,但集体有重要的影响。例如,样例D微酸性pH值,如反渗透/蒸馏水,从吸收有限公司₂和较低的温度(15°C)。尽管实际高H₂浓度、pH值和温度较低导致的ORP阅读负显著低于其他样本。使用能斯特方程,估计H₂浓度从这个ORP阅读,假设25°C和pH值7,将使大量低估真正的H₂浓度(0.01 mg / L与3 mg / L)。

这些场景演示为什么它是错误的假设,如果一个水有一个比另一个更消极的ORP阅读,那么它也有一个更大的氢分子的浓度。有些营销人员可能采用的技术减少流量的碱性水离子发生器“滴”或增加ORP测量前的温度。然而,作为插图,更大的负ORP并不一定意味着更高浓度的氢分子。事实上,更多的负面ORP的水可能容易含有低浓度的氢分子。

从理论上讲,一个ORP-based H₂计将如果ORP测量工作真正准确的ORP值。但是,为了实现H的准确性₂浓度≈±0.1 mg / L,计将需要能够确定恰当微分或潜在之间只有H⁺和H₂物种内约±1 mV。然而,正常的ORP米做不到这一点,在氢水、ORP读数通常有一个误差范围的±100 mV,取决于各种各样的因素(例如,pH值、温度、H₂浓度、矿物质、等等)。这排除了我们获得一个精确的E。因此,唯一的方法来确定H₂集中使用氧化还原电位(E)将首先确定每个感兴趣的氧化还原物种的浓度(即。H₂/小时⁺)。一旦每个已知的浓度,然后方程可以解决的E,最后对PH₂。这个值被转换为H的浓度₂(C)所示情商3,这是一种重排的能斯特方程(情商。)结合亨利定律(即。C =P/ Kh)。

然而,如果我们需要知道H₂为了使用浓度ORP法(即,E值)来确定H₂浓度,然后是没有意义的确定ORP,当一个可以简单地直接获得H后停止₂浓度。

3.7氧化还原电位计误差:准确度和精密度

所有测量都需要一定程度的准确性(接近真实价值)和精密(结果的再现性)是有效的。程度的准确性和精密测量仪器,具有内在的联系,以及系统性错误,导致结果的不确定性。在测量校准解决方案,ORP米通常有一系列±5 mV。虽然这可能看起来不是很多,但这10-mV范围对应于一个错误的H₂估计≈±1 mg / L。这仅代表一个重要的问题,因为H的正常范围₂经常使用的研究员和消费者之间0.5和1.5 mg / L。然而,情况可能会更有利与氢水,因为如前所述,ORP计的误差范围在测量氢水可能一样大±100 mV。这很重要,因为它对应于一个错误在H₂估计±500 mg / L。因此,ORP计对不确定性可能的贡献大于pH值和温度的综合影响。表4显示了典型的消费级的不同来源的错误(非课成绩)为ORP传感器,pH值和温度设备测量中性酸碱度水氢离子的浓度为1.57 mg / L。例如,100 mV的ORP可能偏离其真实价值-414 mV。这对应于一个显著低估(0.0006 mg / L)或过分的高估(3750毫克/升)的H₂浓度。同样,即使我们试图纠正pH值或温度通过测量他们的价值观,这些工具还包含固有误差范围,同样导致显著下或高估了真正的H₂浓度。事实上,而小误差±0.1 pH值对应于一个错误横跨1.50 mg / L范围(0.99毫克/升到2.49 mg / L)。

为了实际解决最低为0.1 mg / L H₂浓度、ORP计必须准确在约0.8 mV,,正如所料,甚至不是实现当使用正常校准解决方案。每个仪器的误差可能的范围基本上是大于所需的公差有意义的ORP阅读。这些错误使用时估计H进一步增加₂浓度,从而不可能为此ORP的使用。

4讨论

我们的在网上计算pH值之间的关系的计算和分析,H₂,温度和ORP证明ORP ORP-based米不应该用来估计溶解的氢分子水平,尤其是因为他们可能没有一个温度探头,使重要的修正。能斯特方程说明生物H将发生重大变革₂浓度基本上对ORP相比,甚至听不清影响非常小的变化在正常pH值和温度的变化。

ORP ORP-based氢米不应混淆更精确的和昂贵的技术专门测量氢分子。例子包括气相色谱和某些H₂米,把敏感的H₂传感器(极谱伏安)(Boshagh Rostami, 2020)。这些工具,主要用于科学和工业使用,往往无法达到和/或可用性的典型消费者。这使得使用ORP-based氢米有吸引力,但不幸的是,作为证明,也有问题。ORP-based H₂米努力报告H₂浓度通过确定水-氧化还原电势。这个结果的贡献主要来自H⁺物种(由pH值)的H₂/小时⁺氧化还原电对,从水的温度,但只是一个相对较小的学位H₂氧化还原电对的物种。然而,这些相对廉价的数字氢米市场上经常使用的消费者和研究人员(田中et al ., 2020)。

计试图计算溶解H₂从水的氧化还原电位。从理论上讲,这应该是可能的,但需要非常精确的测量pH值和温度,以及知道的ORP的贡献只有H₂/小时⁺氧化还原电对的。这是不太可能正常ORP仪器和ORP-based H₂米,不需要做一个标准的校准曲线。此外,尽管ORP米不能用于专门测量H₂他们也有一些固有的缺陷,减少他们的效用甚至ORP测量的目的。

考虑以下几点关于ORP-based H₂米:

1)如果ORP-based H₂米没有pH值探测器,它要求被测量方案的pH值7,这是计会承担。然而,正如前面提到的,因为大多数解决方案很少有完全中性pH值,轻微偏离7,即使小如½pH值的单位,将影响整个贡献ORP阅读了由一个H₂浓度超过正常范围的0.2 - 2 mg / L (≈29.58 mV)。

2)水包含其他氧化还原夫妇导致积极的氧化还原电势。这个积极的ORP从事反对消极的ORP从氢分子的存在。混合势往往存在,取决于不同的氧化还原夫妇,包括碳酸氢根离子。然而,尽管意识到它们的存在,没有简单的方法来减他们的贡献整个氧化还原电势。因此,他们可能会影响ORP阅读以不可预知的方式和倾斜H₂浓度。

3)证明,温度也会影响ORP。然而,大多数消费级ORP米不补偿温度。这可能是重要的,因为在一个中性pH值,改变温度从5°C到25°C,变化的ORP−30 mV。得到相同的30-mV变化由H₂,它的浓度需要增加10倍。换句话说,∆T 20°C影响ORP一样在相同的程度上½单元pH值的变化。

4)对于大多数在活的有机体内研究或消费者使用的氢水,重要的是能够测量在0.1 mg / L的氢。这将需要一个ORP精度约为0.8 mV

5)作者的知识,只有积极的校准解决方案。即使有负面ORP校准,它不会改变这一事实ORP米并不特定于氢分子。

6)一些ORP测量读数稳定之前可能需要很长一段时间,可能只要60分钟。但是,在水中氢半衰期只有≈1 - 2 h,大量溶解h₂将丢失而ORP相称。

7)解决方案包含的ORP计可能产生不稳定的读数redox-active分子,和不会只从给定的ORP H₂/小时⁺氧化还原电对的。

8)化学物质有多个氧化还原状态并不总是表现出可逆行为在铂电极表面。

这些固有的弱点进一步说明为什么ORP米和ORP-based氢米不推荐估计中溶解氢水解决方案。

4.1氧化还原电位和相对氢得分

任何涉及氢离子的氧化还原反应有绝大影响pH值对ORP阅读。大多数氧化还原反应发生在直接涉及氢离子水溶液作为反应的一部分,或者是受变化的博士这导致试图消除pH值的影响通过数学转换ORP阅读。这称为相对氢得分(rH或rH₂)。这个方法被高家俊克拉克在1923年首次提出评估系统的氧化还原能力(克拉克和吉布斯,1925年)。这rH指数是基于能斯特方程和吉布斯自由能利用玻耳兹曼常数pH-independent相对于标准氢电极(她)。这是用于估计解决方案的抗氧化能力亨利和Chambron, 2013年)。rH分数范围从0到42,28日被认为是中性的。虽然这种方法可能有一些好处在某些领域(克拉克和吉布斯,1925年),它也根本问题在生物化学、营养和生态(Garban 2008)。此外,由于rH分数来源于ORP和pH值,保持相同的固有误差和局限性如前所描述为所有ORP-based测量。此外,像ORP, rH分数不考虑化学形式的身份或浓度(s)负责rH得分,或条件来确定一个氧化还原反应发生在一个有意义的时间表。这些内在问题的ORP混淆的数学变换rH得分。因此,使用rH分数评估不推荐氢水的物理化学性质。

4.2将这些结果应用到hydrogen-water设备和技术

在过去的十年小说氢水技术已经出现。不管方法用来制造氢水,H之间的关系₂、pH值、温度、和预测ORP保持不变。不幸的是,很可能使用的ORP计将继续营销人员、研究人员和这些食品和饮料行业的工具来促进产品或评估一个氢水。然而,由于对ORP pH值的不成比例的影响,中性酸碱度设备会产生水少负ORP测量相比,碱性水。这是甚至尽管中性酸碱度水可能有同样的甚至更大的浓度H₂。例如,能斯特ORP预测H₂水的pH值7和浓度为1.57 mg / L−414 mV。然而,水pH值在9.5十倍少H₂(0.16 mg / L),使用浓度低于在临床研究中,将测量−533 mV。同样,H₂第平板电脑经常用于临床研究(LeBaron et al ., 2019 b;Korovljev et al ., 2019;LeBaron et al ., 2020)可以提供高浓度的H₂> 7毫克/升,但由于其酸性pH值(≈4),测量ORP预计只有256−mV。这些推销和销售碱性水设备可能有意无意地利用ORP的区别(由于完全不同的pH值和/或温度),并使用它来说服潜在客户,根据其负面ORP,碱性水有一个更高层次的溶解H₂和/或治疗的好处超过竞争对手的pH值中性或低水。

重要的是,因为ORP米不是特定于H₂分子,其他氧化还原夫妇包括抗氧化剂(如维生素C在高pH值)可以让水- ORP。这可以解释ORP-based H₂米是更高浓度的H₂比真正的存在,或者即使是H₂当不存在。此外,负面的ORP并不总是意味着治疗中获益。一些有毒物质也可以产生一个负ORP(例如,β-Mercaptoethanol)。关键是知道水的化学物种负责负ORP,以及物质的浓度。图11显示了一个流程图的决策树导航水声称有负面ORP和/或包含氢分子。如果水真的有氢,它将有一个负的ORP,这意味着我们可以拒绝据称是氢的水如果ORP是正的。然而,正如前面提到的,因为水有负面ORP并不意味着它含有氢,其他物质,包括有毒的,消极的ORP负责。首先应该确认化学物种的身份是什么。最后,由于ORP计不表明化学物种的浓度,浓度应该特别决定,因为它可能不会有任何生物活性摄取。

此处提出的概念的理解,研究人员和消费者可以理解为什么“负ORP测量”的大小并不意味着氢分子的浓度或水的潜在疗效。ORP计的主要价值可能是它展示不同氢水和其他水域。氢水浓度为0.05 mg / L > 5 mg / L将测量几百负毫伏阅读。因此,尽管高负ORP并不意味着有足够的氢浓度,这意味着,如果氢水措施积极ORP或者只稍微消极的ORP,那么它最有可能不包含氢分子,或者至少没有足够的治疗效果。因此,快速ORP测试可能是有用的在某些场景中,但问题时无法正确解释。

4.3限制在网上分析

进行了分析和计算方程中的变量。我们没有计算活度系数或讨论仪器的限制(例如,在接界电位漂移,钠,酸错误,等等)。此外,我们没有考虑平衡时间和反应动力学与许多其他潜在redox-active化学物种在水里。最后,我们做了一般的假设基于能斯特方程对ORP米和ORP-based H₂米,他们将如何应对pH值的变化,H₂,和温度。然而,可能会有额外的商业秘密算法和计算,调整其中的一些错误。例如,我们的在网上计算可能表明一个错误远远大于在实践中通常是看到了什么。这可能特别适用于一个小范围的氢水浓度(例如,0.5毫克/升到1.5 mg / L),在房间或接近中性pH值和温度。另一方面,偏离实际的浓度可能会比预计的计算。事实上,并不是所有redox-active物种被认为是(如氧气、氯气、矿物质)。此外,在pH值的最末端,温度,和H₂浓度,错误可能加剧由于仪表缺乏敏感性。实验分析之前需要对这些问题在实际情况下得出明确的结论。然而,这在网上分析pH值和温度的意义提供了一个基本框架对ORP / ORP-based H₂米,应该考虑消费者和研究人员。

4.4最终建议

因为ORP测量的缺点,国际氢标准协会(IHSA)特别气馁ORP传感器的使用和ORP-based氢米的研究者,消费者和企业。相反,氢的黄金标准是气相色谱法测量由一个合格的专家。IHSA也赞同某些类型的米/氢传感器选择性测量H₂分子。这通常是基于极谱伏安等内在属性的H₂分子(Boshagh Rostami, 2020)。与所有这些测量技术,创建一个标准的校准曲线用已知浓度的氢分子,然后未知样品的浓度是由比较校准曲线。作者的知识,只有简单的测量和相对精确的方法溶解H₂浓度和氧化还原滴定法试剂(如捐助中,日本;和H₂蓝色的^®,美国)。试剂由亚甲蓝和铂纳米粒子作为催化剂,以促进减少亚甲蓝(蓝色)leucomethylene蓝色(清晰)(Seo et al ., 2012)。对这些产品,用户只需添加一个6毫升整除的氢水烧杯,其次是逐步下降的试剂,直到达到滴定终点。通常,一滴代表0.1 mg / L的溶解H₂,因此,如果需要16滴达到滴定终点,H的浓度₂为1.6 mg / L。然而,这也有它的局限性(例如,不是特定于H₂、催化剂中毒,等等)。

5的结论

基于我们的在网上分析影响氢分子、pH值和温度对ORP,它表明,pH值和温度相比,水中的溶解氢气的水平ORP阅读扮演一个次要角色。因此,当氢分子物种负责负ORP测量,我们只能得出这样的结论,基于负阅读,,不包括其他氧化还原夫妻的可能性给消极的ORP,某种程度的溶解H₂存在于水中。ORP计固有波动,结合重大影响,就连小偏差在pH值和温度对ORP,总是主导ORP测量。因此,仅仅从理论的角度来看,不知道实际和调整pH值和温度,是不可能使用消极的ORP阅读的大小来决定多少H₂有或准确地比较氢水域。然而,一个高质量的ORP仪器和ORP-based H₂计仍可能提供有用的信息,当pH值、温度、和non-H₂/小时⁺氧化还原夫妇仔细控制和考虑。此外,实验分析现实中的场景是非常必要的,从理论到实践的桥梁和确认,反驳,或调整我们的理解的可用性,有效性和可靠性ORP-type米。最后,为了精确测量氢分子在水溶液的浓度,建议使用一种方法,具体措施的H₂天然气本身,而不是依赖于溶液的氧化还原电势,由于其固有的pH值和温度的依赖。

数据可用性声明

原始数据支持了本文的结论将由作者提供,没有过度的预订。

作者的贡献

TL和RS同样导致了手稿,计算,解释,和最后的手稿。

的利益冲突

RS H2科学Inc .的总裁/首席执行官,H2Blue的制造商和分销商^®氧化还原滴定法,试剂用于确定溶解氢的浓度₂。他也是测试主任H₂分析一个公司参与测试溶解氢使用气相色谱法。

其余作者声明,这项研究是在没有进行任何商业或财务关系可能被视为一个潜在的利益冲突。

出版商的注意

本文表达的所有索赔仅代表作者,不一定代表的附属组织,或出版商、编辑和审稿人。任何产品,可以评估在这篇文章中,或声称,可能是由其制造商,不保证或认可的出版商。

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