토양환경기술사시험자료집 - 토양일반(34)

※ 산화환원전위(Eh)

 

1. 정의

      (1) 산화환원반응을 일으키는 능력을 나타내는 척도이며, 

           이는 산화력 또는 환원력의 강도를 표시하는 것으로서 단위는 Volt이다.

      (2) 산화환원반응의 상대적인 크기표시이지, 

           산화환원반응에 관여하는 물질의 양을 나타내는 것은 아니다.

      (3) 아연이나 구리 등의 금속을 염류수용액에 담그면, 

           금속과 수용액과의 사이에 특유의 전위차가 나타나는데, 이 전위차를 산화환원전위라 하고, 

           그 크기는 금속의 종류나 금속이온의 농도 및 온도에 의해 정해진다.

 

2. 개요

      (1) 수용액 중에서 발생하는 화학반응의 대부분은 산화환원반응이다.

      (2) 전자의 이동

              1) 산화(Oxidation) : 전자를 다른 물질에게 내어준다.(전자를 잃는 반응)

              2) 환원(Reduction) : 전자를 다른 물질로부터 받는다.(전자를 얻는 반응)

      (3) 산화제와 환원제

              1) 산화제(Oxidizing Agent) : 자신은 환원되며 다른 물질을 산화시키는 물질

              2) 환원제(Reducing Agent) : 자신은 산화되며 다른 물질을 환원시키는 물질

 

3. 산화환원전위의 계산

      (1) 철이온의 산화환원계

                 Fe3+ + e- = Fe2+

      (2) 위 평형계에 불활성인 백금전극을 담그면 전자는 전극으로부터 용액으로 또는 반대방향으로

           이동하려는 경향때문에 전위차가 발생한다. 이 전위차를 산화환원전위(Eh)라 하며 표준수소

           전극을 기준으로 한 값으로 표시한다.

              R : 기체상수(가스정수)   8.313 J/mol k           

              T : 절대온도

              n : 이동하는 전자의 mole 수       

              F : Farady 상수  96,480 J/V mol e-

              E˚ : 산화물 = 환원물 일때의 Eh(계의 표준산화환원전위)

 

4. 측정

      전압측정기능이 부가된 Eh 미터로 하며 전극은 백금전극과 감홍전극(Calomel Electrode)을

      사용한다.

                           Eh = 실측치 + 감홍전극 전위값

 

5. ORP(산화환원전위)에 따른 특성

      (1) ORP 값이 양(+)이면 산화환경, 음(-)이면 환원환경이다.

      (2) 일반토양의 ORP 값의 범위 : -3.5 V~+0.8 V

      (3) 물속토양의 ORP 값 : -0.18V (환원성)

      (4) 호기, 혐기조건을 구분짓기 위한 방법으로 산화환원전위를 측정한다.

      (5) 호기성 생분해가 일어나는 최소전위 값 : Eh 50mV

      (6) 호기성 생분해가 일어나는 최적전위 값 : Eh 400mV

      (7) 심토에 환원상태 발달 : 탈질현상으로 질소부족현상이 발생한다.

      (8) 심토에 산화상태 발달 : NO3-가 용탈되어 질소손실이 일어나며, 

           용탈된 NO3-는 지하수를 오염시킨다.

      (9) 통기성, 배수조건이 불량한 토양은 ORP 값이 낮아진다.

      (10) 맹독성 Cr6+은 환원조건에서 Cr3+(불용성)이 되며, Cr3+은 독성이 약하다.

      (11) Fe, Mn 등 대부분의 금속은 산화환경에서 불용화(침전)된다.

      (12) Cu, Zn, Cd 등은 환원성 물질인 황화물이 공존하는 경우 용해도가 감소한다.

      (13) 토양의 산화환원조건(산소의 공급정도 여부를 짐작할 수 있는 조건)은

             토양 중 유기오염물질의 분해에 중요한 영향을 미친다.

                         H2O2 + 유기물 + 2H+ → 2H2O + CO2

      (14) 토양의 Eh 값은 토양의 PH, 무기물, 유기물, 배수조건, 온도 및 식물의 종류에 따라 변화한다.

 

6. 산화환원반응에서 토양의 역할

      (1) 산화환원반응에서 토양은 전자수용체를 공급한다.

      (2) 산소는 가장 강력한 전자수용체이다.

                          O2 + 4e- + 4H+ = 2H2O

      (3) 산소를 이용할 수 없을 때 FeO,  OH-,  SO42-,  NO3-,  N2O 등을 전자수용체로 사용한다.

                          SO42- +  8e- +  8H+  =   S2- +  4H2O                         

                          NO3-  +   5e- +   6H+  =  1/2 N2  +  3H2O

                          NO3-  +  2e-  +   2H+  =  NO2-  +   H2O

                          N2O  +  2e-  +   2H+  =   N2   +   H2O

      (4) 산소(호기성)나 2차적인 전자수용체(혐기성)가 없다면 토양 중의 미생물은 발효에 의해 

           유기화합물로부터 약간의 에너지를 얻어낸다.

      (5) 전자수용순서 :  산소 〉 질산태 질소 〉 망간, 철 수산화물 〉 황산이온 〉 발효

 

7. 토양 PH 에 따른 산화환원전위의 변화