氧化還原電位不應作為評估氫水濃度的方法

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氫水濃度與ORP
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隨著氫氣、氫水保健方式越來越流行,也有更多相關產品問世,然而消費者該怎麼辨別什麼才是好的、合適的產品呢?鯉魚兒期待能透過自己在這上面多年的經驗,透過專業的學術研究發表,傳達給正確的觀念給讀者,今天我們就來談談氫水與氧化還原電位(Oxidation reduction potentail, ORP)。

 

氫水與氧化還原電位

氧化還原電位長期被應用在水質的測量的關鍵指標。水中的每一個分子、離子都有自己的氧化還原電位,也因此在微觀上,每一種不同的物質都有一特定的氧化還原能力,這些氧化還原性不同的物質能夠相互影響,最終構成了一定的巨觀氧化還原性,而這就是我們常說的氧化還原電位。所謂的氧化還原電位就是用來反應水溶液中所有物質反應出來的巨觀氧化或還原性。氧化還原電位越高,代表整體水溶液的氧化性越強;電位越低,則氧化性越弱。電位為正表示溶液顯示出一定的氧化性,為負則說明溶液顯示出還原性。

我們都知道氫氣之所以能成為日本健康保健新寵,最主要的原因在於其具有「選擇性抗氧化」的特性,以生物學上的認知就是,氫氣具有「弱還原性」的性質;因此富含氫氣的水,也會因為氫氣具有還原性,而使水的氧化還原電位下降,甚至呈現負電位。
 

負電位值等於氫水濃度?

由於氫氣溶解在水中無色無味,且也不改變水的酸鹼值(PH值),為了取信於消費者,許多氫水的廠商變抓準氫氣這個還原性質,告訴消費者:要知道水中含有多少氫氣,可以直接測量水的氧化還原電位,若水的氧化還原電位越低,則代表水中的氫氣濃度越高;反之則越低。

但這樣的說法絕對是錯誤的。

之前鯉魚兒寫了一篇文章:負電位水就是含氫水? ,裡面清楚說明了,造成水呈現負電位的物質很多,或者在不同的條件下,也有可能使水更容易產生負電位,氫氣只是其中一個要素而已,若把水的負電位與水中氫氣濃度劃上等號,很明顯犯了基礎的邏輯謬誤呀。這就像是「若下雨則地濕」直接推論成「若地濕則下雨」,顯然是錯誤的,造成地濕的原因很多,有可能是有人潑水,不見得一定要下雨;同樣的造成水變成負電位的原因很多,不見得水裡一定有氫分子。

為了解釋利用氧化還原電位作為測量水中氫氣濃度的方式存在明顯的缺陷與錯誤,來自美國的氫分子專家 Tyler Lebaron 博士發表了一篇論文,就是要告訴讀者:不要再被廠商手中的 ORP 筆誤導了!
 

探討 ORP、氫水濃度、PH值、溫度關係

為了說明 ORP 為什麼不適合作為測量氫水濃度的指標,研究利用能斯特方程式(Nernst equation),將ORP值作為應變數,而水中氫氣濃度(氫氣分壓)、PH值(氫質子 H+濃度)與溫度則為自變數。

可以用以下數學式來表示:

透過上述的能斯特方程式,再經過數學計算後,我們就可以得出各個自變數與應變數之間的關係。

首先我們先了解氫氣濃度變化對於 ORP 的影響,在其他條件不變下,增加水中的氫氣濃度的確可以增加水的負電位,但這樣的變化量並不大。

透過電腦計算,我們發現當水的PH值維持在 7,溫度維持在攝氏 25 度,水中氫氣的濃度由0.5ppm提升到50ppm(質量濃度),ORP的數值僅從 -399mv 下降至 -459mv,換句話說當氫氣濃度提升了100 倍,ORP卻僅僅下降了15%而已。

氫水濃度與ORP

水中的氫氣雖具有還原性,可使水變為負電位,但變化量甚小。

論文接著探討 PH 值對於 ORP 的影響,透過計算,當水中氫氣濃度維持在1.57ppm,水溫保持在攝氏25度的條件下,當PH值從 6 上升到 7 時(水變鹼),ORP 會從 -355mv 顯著下降至 -651mv,相較於水中的氫氣濃度,PH值對於 ORP 的影響可以說是大上許多。

氫水濃度與酸鹼值

氧化還原電位,顯著受水的酸鹼值(PH值)影響,可以看到在相同的氫氣濃度下,水越鹼,則負電位明顯越高。

 

探討完水中氫氣濃度與水的酸鹼值(PH值)對於氧化還原電位(ORP)的影響後,接著探討最後一個變數 – 水溫對於氧化還原電位的影響。

水的酸鹼值維持在 7 ,氫氣壓力維持在1大氣壓,由於水溫的變化會改變水中氫氣的濃度,所以必須同時紀錄。透過電腦計算,發現當水溫從攝氏 0 度開始上升至攝氏 100 度,水中氫氣濃度會從 1.96ppm 下降至 0.97ppm,然而的水的氧化還原電位(ORP)卻從 -379mv 顯著下降至 -518mv。

這個結果顯示了,水中氫氣濃度下降,卻因為溫度的上升讓 ORP 大幅降低,若消費者依賴 ORP 最為氫水濃度的判斷,就會造成嚴重誤判的狀況產生:明明水中的氫氣濃度隨著溫度的上升會下降,然而 ORP 的負值卻越來越大,因而得出氫水的濃度隨著溫度上升而升高的錯誤解讀。

氫水濃度與溫度

在氫氣分壓固定在一大氣壓下,水中氫氣濃度會隨著溫度上升而下降;同時水的氧化還原電位卻隨著水溫上升而顯著下降。

 

結論

透過上述的討論,我們可以知道充分了解利用氧化還原電位(ORP)作為評估水中氫氣濃度是不正確的,但我們該怎樣才能準確測量呢?作者提到,要準確測量氫氣最好的做法是透過氣相層析儀(Gas Chromatography, GC);然而這樣的檢測方法,一般消費者是沒辦法應用的,若真的要提供一種簡便且較準確的測量方式,可以利用亞甲藍滴劑作為評估氫水濃度的簡易方法。

那麼利用 ORP 這種方式來測量氫水濃度就完全不具參考意義了嗎?如果廠商製造氫水的方式,屬於「物理溶氫」的話,那還是具有參考價值的。

簡單來說,因為氫氣溶於水,屬於中性,並不會改變水的酸鹼值,在確保水溫不變下,將氫氣(必須是純氫)直接加入水中,這時候去比較加入前後水的氧化還原電位的變化,就比較能確保這個變化來自於添加的氫氣,且其他條件(PH值、溫度)不變,進而推算出水中的氫氣濃度。

原始論文連結:ORP should not be used to estimate or compare concentrations of aqueous H2: An in silico analysis and narrative synopsis
 

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