Redoxpotenzial von Wasser: Warum ein einzelner Messwert wenig aussagt
Das Redoxpotenzial von Wasser wird häufig mit Begriffen wie „oxidierend“, „reduzierend“, „lebendig“ oder „antioxidativ“ in Verbindung gebracht. Vor allem bei Trinkwasser entsteht dadurch schnell der Eindruck, ein bestimmter Millivoltwert könne zeigen, ob ein Wasser gesund oder besonders hochwertig ist.
So einfach ist es jedoch nicht.
Das Redoxpotenzial kann bei der Überwachung von Wasser und technischen Prozessen durchaus nützlich sein. Der gemessene Wert ist aber kein unveränderlicher Fingerabdruck des Wassers. Er hängt von den enthaltenen Stoffen, den Bedingungen während der Messung und sogar davon ab, wie die messende Person mit der Probe und dem Messgerät umgeht.
Was bedeutet Redox?
Das Wort „Redox“ setzt sich aus Reduktion und Oxidation zusammen. Beide Vorgänge sind chemisch miteinander verbunden.
Bei einer Oxidation gibt ein Stoff Elektronen ab. Bei einer Reduktion nimmt ein anderer Stoff diese Elektronen auf. Eine Oxidation kann deshalb nicht ohne eine gleichzeitig stattfindende Reduktion ablaufen.
Ein bekanntes Beispiel ist die Korrosion von Eisen. Eisen gibt Elektronen ab, während Sauerstoff im Zusammenspiel mit Wasser Elektronen aufnimmt. Dabei entstehen verschiedene sauerstoff- und wasserhaltige Eisenverbindungen, die wir zusammenfassend als Rost bezeichnen.
Was ist das Redoxpotenzial?
Das Redoxpotenzial, häufig auch ORP genannt, beschreibt die elektrochemischen Bedingungen in einer Lösung. ORP steht für „Oxidation Reduction Potential“.
Gemessen wird eine elektrische Spannung in Millivolt. Dafür wird in der Regel eine Messelektrode aus Platin oder Gold zusammen mit einer Referenzelektrode in das Wasser gehalten. Das Gerät misst die Spannung, die sich zwischen beiden Elektroden einstellt.
Ein positiverer Messwert deutet vereinfacht auf stärker oxidierende Bedingungen hin. Ein negativerer Messwert deutet auf stärker reduzierende Bedingungen hin.
Das bedeutet jedoch nicht, dass das Messgerät Elektronen zählt oder direkt erkennt, welche einzelnen Stoffe sich im Wasser befinden. Das angezeigte Ergebnis entsteht aus dem Zusammenspiel verschiedener redoxaktiver Substanzen an der Oberfläche der Elektrode.
Ein einzelner ORP-Wert sagt deshalb nicht, ob bestimmte Schadstoffe oder Krankheitserreger im Wasser vorhanden sind. Er sagt auch nicht automatisch, ob ein Wasser gesund oder ungesund ist.
Das Redoxpotenzial ist eine Momentaufnahme
Der gemessene Wert kann sich verändern, sobald das Wasser seine Umgebung wechselt.
Wird Wasser aus einer Leitung in ein Glas gefüllt, kommt es stärker mit der Luft in Kontakt. Gelöste Gase können entweichen, während Sauerstoff aus der Luft aufgenommen werden kann. Auch das Schwenken, Umfüllen oder Rühren einer Probe kann diesen Austausch beschleunigen.
Die US-Umweltbehörde EPA empfiehlt deshalb, ORP-Messungen so durchzuführen, dass möglichst keine oxidierenden oder reduzierenden Stoffe hinzukommen oder verloren gehen. Luftkontakt kann eine Probe verändern und damit das Messergebnis verfälschen. Für empfindliche Untersuchungen wird daher möglichst direkt im Wasser oder in einer luftfreien Durchflusszelle gemessen.
Auch beim Einsatz der Elektrode gibt es zahlreiche Unterschiede:
* Wie tief wird die Elektrode eingetaucht?
* Berührt sie den Boden oder die Gefäßwand?
* Wird das Wasser während der Messung bewegt?
* Wie lange wird gewartet, bevor der Wert abgelesen wird?
* Ist die Elektrode sauber?
* Wurde sie richtig gelagert und gepflegt?
* Wird immer dasselbe Messgerät verwendet?
Platinelektroden können leicht verschmutzen. Ablagerungen auf der Oberfläche können die Reaktion der Elektrode und ihre Ansprechzeit verändern. Die EPA verlangt deshalb eine regelmäßige Reinigung und Pflege nach den Angaben des Herstellers.
Auch der Zeitpunkt des Ablesens ist wichtig. Der angezeigte Wert kann nach dem Eintauchen zunächst deutlich wandern. Eine Person liest möglicherweise nach 30 Sekunden ab, eine andere wartet mehrere Minuten auf einen stabileren Wert. Beide erhalten dann unterschiedliche Ergebnisse, obwohl sie dasselbe Wasser untersucht haben.
Die messende Person verändert also nicht auf geheimnisvolle Weise die Eigenschaften des Wassers. Sie beeinflusst durch ihre Arbeitsweise die Probe und die Bedingungen, unter denen gemessen wird.
Warum verschiedene Geräte unterschiedliche Werte anzeigen können
ORP ist immer eine Spannungsmessung gegenüber einer Referenzelektrode.
In der Praxis werden unter anderem Silber-Silberchlorid-Elektroden verwendet. Deren eigener Bezugspunkt unterscheidet sich von der Standard-Wasserstoffelektrode, die in wissenschaftlichen Darstellungen häufig als Referenz dient.
Daher ist ein Millivoltwert ohne Angabe der verwendeten Referenzelektrode nicht vollständig. Die EPA formuliert es sehr deutlich: Ohne die Angabe der Bezugsskala besitzt ein ORP-Wert keine eindeutige Bedeutung.
Zwei Geräte können deshalb unterschiedliche Zahlen anzeigen, obwohl beide ordnungsgemäß funktionieren. Für sinnvolle Vergleiche sollten möglichst dasselbe Messgerät, dieselbe Elektrode und derselbe Messablauf verwendet werden.
Bedeutet ein positiver Wert, dass das Wasser schädlich ist?
Nein.
Ein positives Redoxpotenzial bedeutet nicht, dass das Wasser den Körper „verbrennt“. Oxidation ist ein chemischer Oberbegriff. Eine Verbrennung ist nur eine besondere Form einer schnellen Oxidationsreaktion.
Sauerstoffhaltiges Leitungswasser besitzt häufig oxidierende Eigenschaften und damit einen positiven ORP-Wert. Daraus lässt sich allein keine schädliche Wirkung ableiten.
Das Redoxpotenzial kann unter anderem beeinflusst werden durch:
* den pH-Wert,
* die Temperatur,
* den gelösten Sauerstoff,
* Chlor und andere Oxidationsmittel,
* organische Stoffe,
* gelöste Metalle,
* Schwefelverbindungen,
* den Kontakt mit Luft,
* Standzeit der Probe.
Deshalb kann Wasser direkt an der Entnahmestelle einen anderen Wert zeigen als dasselbe Wasser, nachdem es einige Minuten in einem offenen Glas gestanden hat.
Auch das lässt sich aus dem Messwert nicht ableiten.
Ein negativer ORP-Wert bedeutet zunächst nur, dass unter den gemessenen Bedingungen reduzierende Einflüsse überwiegen. Er zeigt nicht, wodurch diese Bedingungen verursacht werden.
Ein negativer Wert kann beispielsweise mit gelöstem Wasserstoff zusammenhängen. Er kann aber auch durch andere chemische Stoffe oder sauerstoffarme Bedingungen entstehen. Zwei Wasserproben mit demselben ORP-Wert können daher völlig unterschiedlich zusammengesetzt sein.
Das Redoxpotenzial zeigt außerdem nicht, wie viele reduzierende Stoffe tatsächlich vorhanden sind. Ein stark negativer Wert bedeutet nicht automatisch, dass eine große antioxidative Wirkung im menschlichen Körper zu erwarten ist.
Vor allem ist Wasser mit negativem Redoxpotenzial keine Energiequelle im ernährungsphysiologischen Sinn. Der menschliche Körper gewinnt Energie hauptsächlich aus der Verarbeitung energiereicher Nährstoffe. Ein negativer Millivoltwert allein liefert keine verwertbaren Kalorien und beweist keine gesundheitsfördernde Wirkung.
Wofür ist das Redoxpotenzial sinnvoll?
Unter kontrollierten Bedingungen ist das Redoxpotenzial ein hilfreicher technischer Messwert.
Es wird beispielsweise eingesetzt bei:
* der Überwachung von Schwimmbädern,
* der Steuerung von Wasseraufbereitungsanlagen,
* der Kontrolle von Abwasserprozessen,
* der Untersuchung von Grund- und Oberflächenwasser,
* der Beobachtung oxidierender oder reduzierender Bedingungen.
Die Weltgesundheitsorganisation nennt ORP als möglichen Parameter für die betriebliche Überwachung der Desinfektion in Schwimmbädern. Sie weist jedoch darauf hin, dass kein einzelner ORP-Grenzwert für alle Anlagen und Bedingungen gleichermaßen gilt.
In einem Schwimmbad kann ORP also helfen, Veränderungen im Desinfektionsprozess zu erkennen. Es misst aber nicht direkt die Zahl der vorhandenen Bakterien und ersetzt keine mikrobiologische Untersuchung.
Wie lassen sich Wasserproben sinnvoll vergleichen?
Wer verschiedene Wasserproben anhand ihres Redoxpotenzials vergleichen möchte, sollte die Bedingungen möglichst genau vereinheitlichen.
Dazu gehören:
* dasselbe Messgerät und dieselbe Elektrode,
* saubere und gleichartige Gefäße,
* dieselbe Wassermenge,
* dieselbe Temperatur,
* möglichst ähnliche pH-Werte oder zumindest deren Dokumentation,
* eine festgelegte Wartezeit,
* ein möglichst gleicher Luftkontakt,
* mehrere Wiederholungsmessungen.
Ein einmaliger Messwert, der direkt nach dem Einfüllen aus einem beliebigen Messgerät abgelesen wurde, besitzt nur eine begrenzte Aussagekraft.
Erst wenn Messungen unter vergleichbaren Bedingungen wiederholt werden, lassen sich Veränderungen oder Unterschiede sinnvoller beurteilen.
## Was sagt das Redoxpotenzial über die Qualität von Trinkwasser aus?
Allein betrachtet nur sehr wenig.
Der ORP-Wert zeigt nicht zuverlässig:
* ob Keime vorhanden sind,
* ob das Wasser frei von Schadstoffen ist,
* ob Schwermetalle enthalten sind,
* ob das Wasser gesundheitsfördernd wirkt,
* ob es „lebendig“ oder „tot“ ist,
* ob es den Durst besser stillt.
Für die Beurteilung der Trinkwasserqualität sind je nach Fragestellung mikrobiologische, chemische und physikalische Untersuchungen erforderlich.
Das Redoxpotenzial kann dabei ein zusätzlicher Messwert sein. Es ersetzt diese Untersuchungen jedoch nicht.
Kurz zusammen gefasst:
Das Redoxpotenzial ist kein festes Qualitätszeichen für Wasser, sondern eine Momentaufnahme elektrochemischer Bedingungen.
Der Wert kann sich durch pH-Wert, Temperatur, Sauerstoff, Inhaltsstoffe, Luftkontakt und Standzeit verändern. Auch die Person, die die Messung durchführt, beeinflusst das Ergebnis durch die Probenahme, die Pflege der Elektrode, die Wartezeit und den gesamten Messablauf.
Das macht die Messung nicht wertlos. Unter kontrollierten und wiederholbaren Bedingungen kann das Redoxpotenzial sehr nützlich sein.
Eine einzelne Zahl reicht jedoch nicht aus, um ein Trinkwasser als gesund, ungesund, lebendig, antioxidativ oder besonders hochwertig einzustufen.
Quellen
* International Union of Pure and Applied Chemistry, IUPAC Gold Book: Definition des Redoxpotenzials.
* United States Environmental Protection Agency: *Field Measurement of Oxidation-Reduction Potential*. Hinweise zu Elektroden, Probenahme, Luftkontakt, Temperatur, pH-Wert und Referenzsystemen.
* United States Geological Survey: Fachinformationen zu Redoxbedingungen in Wasser und zur Bedeutung für chemische Prozesse.
* World Health Organization: *Guidelines for Safe Recreational Water Environments*. Einsatz von ORP zur betrieblichen Überwachung der Desinfektion.