Окислительно восстановительные реакции в организме человека. Типы окислительно-восстановительных (редокс) реакций в организме человека
Арендный блок
Окислительно-восстановительными называются реакции, протекающие с изменением степени окисления двух или более веществ.
Степень окисления – это условный заряд на атоме, если считать, что молекула создана по ионному механизму (или – это количество принятых или отданных электронов).
Восстановители – атомы, молекулы, ионы – отдающие электроны.
Окислители - атомы, молекулы, ионы – принимающие электроны.
Восстановители участвуют в процессе окисления, повышая свою степень окисления.
Окислители - участвуют в процессе восстановления, понижая свою степень окисления.
Виды окислительно-восстановительных реакций
1. Межмолекулярные - реакции, в которых окисляющиеся и восстанавливающиеся атомы находятся в молекулах разных веществ, например:
Н2S + Cl2 → S + 2HCl
2. Внутримолекулярные - реакции, в которых окисляющиеся и восстанавливающиеся атомы находятся в молекулах одного и того же вещества, например:
2H2O → 2H2 + O2
3. Диспропорционирование (самоокисление-самовосстановление) - реакции, в которых один и тот же элемент выступает и как окислитель, и как восстановитель, например:
Cl2 + H2O → HClO + HCl
4. Репропорционирование (конпропорционирование , контрдиспропорционирование) - реакции, в которых из двух различных степеней окисления одного и того же элемента получается одна степень окисления:
Типы окислительно-восстановительных реакций в организме человека.
Реакция дегидрирования: SH2 + HAD+= S + HADH+H+
Потеря электрона:O20 + 1eO2-
Перенос 2Н+ от восстановленного субстрата на молекулярный кислород:SH2 + O20 +2e= S + H2O
Присоединение кислорода к субстрату: SH2 + 1/2O20 +2e= HO - S -H
Механизм возникновения электродного и редокс-потенциалов. Уравнения Нернста-Петерса .
Мерой окислительно-восстановительной способности веществ служат окислительно-восстановительные потенциалы. Рассмотрим механизм возникновения потенциала. При погружении химически активного металла (Zn, Al) в раствор его соли, например Zn в раствор ZnSO4, происходят дополнительное растворение металла в результате процесса окисления, образование пары, двойного электрического слоя на поверхности металла и возникновение потенциала пары Zn2+/Zn°.
Металл, погруженный в раствор своей соли, например цинк в растворе сульфата цинка, называют электродом первого рода. Это двухфазный электрод, который заряжается отрицательно. Потенциал образуется в результате реакции окисления (рис. 8.1). При погружении в раствор своей соли малоактивных металлов (Cu) наблюдается противоположный процесс. На границе металла с раствором соли происходит осаждение металла в результате процесса восстановления иона, обладающего высокой акцепторной способностью к электрону, что обусловлено высоким зарядом ядра и малым радиусом иона. Электрод заряжается положительно, в приэлектродном пространстве избыточные анионы соли формируют второй слой, возникает электродный потенциал пары Cu2+/Cu°. Потенциал образуется в результате процесса восстановления (рис. 8.2). Механизм, величина и знак электродного потенциала определяются строением атомов участников электродного процесса.
Итак, потенциал, который возникает на границе раздела металла с раствором в результате окислительного и восстановительного процессов, протекающих с участием металла (электрода) и образованием двойного электрического слоя называют электродным потенциалом .
Если отводить электроны с цинковой пластины на медную, то равновесие на пластинках нарушается. Для этого соединим цинковую и медную пластины, погруженные в растворы их солей, металлическим проводником, приэлектродные растворы - электролитным мостиком (трубка с раствором K2SO4), чтобы замкнуть цепь. На цинковом электроде протекает полуреакция окисления:
а на медном - полуреакция восстановления:
Электрический ток обусловлен суммарной окислительно-восстановительной реакцией:
В цепи появляется электрический ток. Причиной возникновения и протекания электрического тока (ЭДС) в гальваническом элементе является разность электродных потенциалов (Е) - рис. 8.3.
Рис. 8.3. Схема электрической цепи гальванического элемента
Гальванический элемент - это система, в которой химическая энергия окислительно-восстановительного процесса превращается в электрическую. Химическая цепь гальванического элемента обычно записывается в виде краткой схемы, где слева помещают более отрицательный электрод, указывают пару, образующуюся на этом электроде, вертикальной чертой, показывают скачок потенциала. Две черты обозначают границу между растворами. Заряд электрода указывается в круглых скобках: (-) Zn°|Zn2+||Cu2+|Cu° (+) - схема химической цепи гальванического элемента.
Окислительно-восстановительные потенциалы пары зависят от природы участников электродного процесса и соотношения равновесных концентраций окисленной и восстановленной форм участников электродного процесса в растворе, температуры раствора и описываются уравнением Нернста.
Количественной характеристикой окислительно-восстановительной системы является редокс-потенциал , возникающий на границе раздела фаз платина - водный раствор. Величина потенциала в единицах СИ измеряется в вольтах (В) и рассчитывается по уравнению Нернста-Петерса:
где а(Oх) и a(Red) - активность окисленной и восстановленной форм соответственно; R - универсальная газовая постоянная; Т - термодинамическая температура, К; F - постоянная Фарадея (96 500 Кл/моль); n - число электронов, принимающих участие в элементарном редокс-процессе; а - активность ионов гидроксония; m - стехиометрический коэффициент перед ионом водорода в полуреакции. Величина φ° - стандартный редокс-потенциал, т.е. потенциал, измеренный при условиях а(Oх) = a(Red) = a(H+) = 1 и данной температуре.
Стандартный потенциал системы 2Н+/Н2 принят равным 0 В. Стандартные потенциалы являются справочными величинами, табулируются при температуре 298К. Сильнокислая среда не характерна для биологических систем, поэтому для характеристики процессов, протекающих в живых системах, чаще используют формальный потенциал, определяемый при условии а(Oх) = a(Red), pH 7,4 и температуре 310К (физиологический уровень). При записи потенциала пара указывается в виде дроби, причем окислитель записывается в числителе, а восстановитель в знаменателе.
Для 25 °С (298К) после подстановки постоянных величин (R = = 8,31 Дж/моль град; F = 96 500 Кл/моль) уравнение Нернста принимает следующий вид:
где φ°- стандартный окислительно-восстановительный потенциал пары, В; со.фю и св.ф. - произведение равновесных концентраций окисленной и восстановленной форм соответственно; х и у - стехиометрические коэффициенты в уравнении полуреакций.
Электродный потенциал образуется на поверхности металлической пластины, погруженной в раствор ее соли, и зависит только от концентрации окисленной формы [Мn+], так как концентрация восстановленной формы не изменяется. Зависимость электродного потенциала от концентрации одноименного с ним иона определяется уравнением:
где [Мn+] - равновесная концентрация иона металла; n - число электронов, участвующих в полуреакции, и соответствует степени окисления иона металла.
Редокс-системы делят на два типа:
1) в системе осуществляется только перенос электронов Fe3+ + ē = = Fe2+, Sn2+ - 2ē = Sn4+. Это изолированное окислительно-восстановительное равновесие;
2) системы, когда перенос электронов дополняется переносом протонов, т.е. наблюдается совмещенное равновесие разных типов: протолитическое (кислотно-основное) и окислительно-восстановительное с возможной конкуренцией двух частиц протонов и электронов. В биологических системах важные редокс-системы относятся к этому типу.
Примером системы второго типа является процесс утилизации перекиси водорода в организме: Н2О2 + 2Н+ + 2ē ↔ 2Н2О, а также восстановление в кислой среде многих окислителей, содержащих кислород: CrО42-, Cr2О72-, MnО4-. Например, MnО4- + 8Н+ + 5ē = = Mn2+ + 4Н2О. В данной полуреакции участвуют электроны и протоны. Расчет потенциала пары ведут по формуле:
В более широком круге сопряженных пар окисленная и восстановленная формы пары находятся в растворе в различной степени окисления (MnО4-/Mn2+). В качестве измерительного электрода
в данном случае применяют электрод из инертного материала (Pt). Электрод не является участником электродного процесса и играет роль только переносчика электронов.
Потенциал, образующийся за счет окислительно-восстановительного процесса, происходящего в растворе, называют окислительно-восстановительным потенциалом.
Измерение его выполняют на окислительно-восстановительном электроде - это инертный металл, находящийся в растворе, содержащем окисленную и восстановленную формы пары. Например, при измерении Еo пары Fe3+/Fe2+ применяют окислительно-восстановительный электрод - платиновый измерительный электрод. Электрод сравнения - водородный, потенциал пары которого известен.
Реакция, протекающая в гальваническом элементе:
Схема химической цепи: (-)Pt|(H2°), H+||Fe3+, Fe2+|Pt(+).
Итак, окислительно-восстановительный потенциал (ОВП) – это потенциал системы, в которой активности окислительной и восстановительной форм данного вещества равны единице. ОВП измеряется с помощью окислительно-восстановительных электродов в сочетании со стандартными электродами сравнения.
В каждой окислительно-восстановительной реакции есть своя редокс-пара – эта пара имеет вещество в окисленной и восстановленной форме (Fe+3/Fe+2).
Количественной мерой активности редокс-пары является величина ее ОВП.
ОВПпары>>>окислитель
ОВПпары<<<восстановитель
ОВП зависит от:
Природы редокс-пары,
Концентрации
Температуры
Сравнительная сила окислителей и восстановителей. Прогнозирование направления редокс-процессов по величинам редокс-потенциалов .
Окислительно-восстановительный потенциал является мерой окислительно-восстановительной способности веществ. Значение стандартных потенциалов пар указаны в справочных таблицах.
Стандартные потенциалы электродов (Е°), выступающих как восстановители по отношению к водороду, имеют знак “-”, а знак “+” имеют стандартные потенциалы электродов, являющихся окислителями.
Металлы, расположенные в порядке возрастания их стандартных электродных потенциалов, образуют так называемыйэлектрохимический ряд напряжений металлов: Li, Rb, К, Ва, Sr, Ca, Na, Mg, Al, Mn, Zn, Cr, Fe, Cd, Co, Ni, Sn, Pb, H, Sb, Bi, Cu, Hg, Ag, Pd, Pt, Au.
В ряду редокс-потенциалов отмечают следующие закономерности.
1. Если стандартный редокс-потенциал пары отрицателен, например φ°(Zn2+(р)/Zn°(т)) = -0,76 В, то по отношению к водородной паре, потенциал которой выше, данная пара выступает в качестве восстановителя. Потенциал образуется по первому механизму (реакции окисления).
2. Если потенциал пары положителен, например φ°(Сu2+(р)/ Cu(т)) = +0,345 В по отношению к водородной или другой сопряженной паре, потенциал которой ниже, данная пара является окислителем. Потенциал данной пары образуется по второму механизму (реакции восстановления).
3. Чем выше алгебраическая величина стандартного потенциала пары, тем выше окислительная способность окисленной формы и ниже восстановительная способность восстановленной формы этой пары. Снижение величины положительного потенциала и возрастание отрицательного соответствует падению окислительной и росту восстановительной активности. Например:
Сопоставление значений стандартных окислительно-восстановительных потенциалов позволяет ответить на вопрос: протекает ли та или иная окислительно-восстановительная реакция?
Разность между стандартными окислительными потенциалами окисленной и восстановленной полупар называют электродвижущей силой (ЭДС).
Е0 = Еок- Евосст
Количественным критерием оценки возможности протекания той или иной окислительно-восстановительной реакции является положительное значение разности стандартных окислительно-восстановительных потенциалов полуреакций окисления и восстановления.
Для установления возможности самопроизвольного протекания в стандартных условиях ОВР необходимо:
G0298= - п F E0
Е> 0 G< 0 - самопроизвольно
Е < 0 G> 0 - обратно
Е = 0 G = 0 - химическое равновесие
Физико-химические принципы транспорта электронов в электронотранспортной цепи митохондрий .
Все типы окислительно-восстановительных процессов происходят при окислении субстратов в митохондриях, на внутренних мембранах которых размещаются ансамбли из ферментов – дегидрогеназ, коферментов (НАД+, ФАД, УБХ), серии цитохромов b, с1, c и фермента – цитохромоксидазы. Они образуют систему клеточной дыхательной цепи, с помощью которой происходит эстафетная передача протонов и электронов от субстрата к молекулам кислорода, доставленным гемоглобином к клетке.
Каждый компонент дыхательной цепи характеризуется определённым значением окислительно-восстановительного потенциала. Движение электронов по дыхательной цепи происходит ступенчато от веществ с низким потенциалом (-0,32 В) к веществам с более высоким потенциалом (+0,82 В), поскольку любое соединение может отдать электроны только соединению с более высоким окислительно-восстановительным потенциалом (таблица 1).
Таблица 1
Стандартные редокс-потенциалы биомолекул дыхательной цепи
СИСТЕМА
ПОЛУРЕАКЦИЯ
РЕДОКС-ПОТЕНЦИАЛ, В
НАД+/НАД×Н
НАД+ + Н+ + 2 ē → НАД×Н
ФАД/ФАД×Н2
ФАД+ + 2Н+ + 2 ē → ФАД×Н2
УБХ/ УБХ×Н2
УБХ+ 2Н+ + 2 ē → УБХ×Н2
цитохром b
цитохром с1
цитохром с
цитохром а + а3
О2 + 4 Н+ + 4 ē → 2 Н2О
Цепь тканевого дыхания можно представить в виде схемы:
В результате биологического окисления (дегидрирования) два атома водорода (в виде двух протонов и двух электронов) от субстрата поступают в дыхательную цепь. Сначала происходит эстафетная передача протона и пары электронов молекуле НАД+, превращающейся в восстановленную форму НАД× Н, затем системе флавиновых оснований (ФАД/ФАД× Н2 или ФМН/ФМН× Н2), следующим акцептором двух протонов и двух электронов является убихинон (УБХ). Далее происходит передача только электронов: два электрона от УБХ× Н2 принимают на себя последовательно цитохромы в соответствии с величинами их редокс-потенциалов (табл. 1). Последний из компонентов – цитохромоксидаза переносит электроны непосредственно молекуле кислорода. Восстановленный кислород с двумя протонами, полученными от УБХ× Н2 образует молекулу воды.
1/2 О2 + 2Н+ + 2 ē → Н2О
Необходимо отметить, что каждая молекула кислорода взаимодействует с двумя электронотранспортными цепями, поскольку в структуре цитохромов возможен только одноэлектронный перенос Fe3+ → Fe2+.
Химия комплексных соединений Типы окислительно-восстановительных (редокс) реакций в организме человека. Окислительно-восстановительными называются реакции, протекающие с изменением степени окисления двух или более веществ.
У нас самая большая информационная база в рунете, поэтому Вы всегда можете найти походите запросы
Многие разрушительные процессы в нашей жизни связаны с окислением, то есть происходят при участии кислорода. Однако окислительные реакции просто необходимы для нормальной жизнедеятельности организма. Они влияют на образование энергии, восстановление, процессы гомеостаза и другие жизненно важные функции. Главное здесь – сохранить баланс и не допустить перехода границы, когда окисление превращается в нашего врага.
Процессы, происходящие в организме человека, неизменно связаны с реакцией окисления. При этом сложные вещества распадаются (окисляются) до более простых и выделяется энергия, необходимая для жизни.
Однако результаты подобных окислительных процессов могут иметь два итога: положительный и отрицательный.
Результаты окислительных реакций в организме
Баланс окислительных и антиокислительных процессов – залог долголетия
Необходимое условие нормального функционирования всех систем организма и здоровья человека – баланс между окислительными и антиокислительными процессами. Смещение этого явления в ту или другую сторону может являться как патологией, так и приспособительной реакцией.
Если окислительных процессов становится больше, то нашему организму приходится нелегко. Большое количество свободных радикалов (которые образуются в процессе окисления) вызывает оксидативный стресс, при котором поражаются здоровые клетки организма.
Это может привести к развитию злокачественных опухолей, преждевременному старению и серьезным заболеваниям. Различные вирусы активнее проникают в организм, так как он не защищен, а мы становимся более уязвимы для инфекционных заболеваний.
Когда организм ослаблен, вредное UV-А-излучение запускает процесс окисления, нанося непоправимый вред как коже, так и организму в целом. От этого страдают иммунная система и ДНК.
Факторы нарушения баланса окислительных процессов:
- Ионизирующее излучение.
- Химические препараты.
- Бактерии, вирусы.
- Алкоголь, курение.
- Загрязнение окружающей среды.
- Неправильное питание.
Одно из решений – восстановление или своевременное поддержание баланса между окислительными и антиокислительными процессами в организме. Это возможно при регуляции процессов окисления в организме с помощью рациона питания и качественного улучшения образа жизни.
Особенно об этом необходимо помнить жителям крупных городов, где выхлопные газы и неправильное питание разрушают антиоксидантную систему в организме. Внутри человека постепенно накапливаются вредные вещества, которые приводят к оксидативному стрессу и вызывают различные патологии.
Антиоксиданты – полноценная защита организма
На сегодня известно более 3000 разнообразных антиоксидантов. Обычно их подразделяют на 4 группы:
- Биофлавоноиды растений. Действуют как ловушка: захватывают свободные радикалы и токсины и выводят их из организма. С их помощью можно снизить риск возникновения сердечно-сосудистых и онкологических заболеваний. Источник: катехин, который содержится в зеленом чае, красном вине, цитрусовых.
- Витамины. Поглощают излишнюю энергию агрессивных свободных радикалов, а также прекращают или затормаживают развитие цепной реакции. Бывают двух видов: жирорастворимые (защита жировой ткани) и водорастворимые (защита мышц и сосудов). Например, витамины А, Е, С, бета-каротин.
- Минеральные вещества, которые человек не способен вырабатывать сам. Поддерживают нормальный уровень витаминов в организме и защищают от инфекций. Пример: селен, марганец, кальций, цинк.
- Ферменты. Выступают в роли катализаторов, обеззараживая и ускоряя процесс вывода свободных радикалов. Пример: фермент коэнзим Q10.
В зависимости от происхождения можно выделить два вида антиоксидантов:
- Природные (содержатся в продуктах питания и лучше всего усваиваются организмом).
- Синтетические (препараты, производящиеся фармацевтической промышленностью).
Самый богатый источник антиоксидантов – растительная пища. Кстати, кожура, семечки и корневища наиболее богаты этими ценными элементами. Некоторые ученые предполагают, что самые эффективные антиоксиданты – это биофлавоноиды, которые находятся в кожуре ярко окрашенных растений, например в винограде, свекле, чернике, баклажанах, капусте фиолетового цвета.
Основными источниками сильнейших антиоксидантов являются:
- апельсины, абрикосы, папайя, арбузы, мандарины, нектарины, киви, манго, орехи;
- морковь, горчица, семена подсолнечника, тыква, шпинат;
- брокколи, свекла, кукуруза, томаты, спаржа, шпинат;
- тунец, птица, говядина, устрицы, зерновой хлеб, молочные продукты;
- красное мясо, устрицы, фасоль, красная рыба.
Баланс антиоксидантных и окислительных процессов является незаменимой профилактикой многих опасных заболеваний. Продлите свою молодость и отличное настроение с помощью регулярного приема антиоксидантов!
Фотосинтез.
Фотосинтез – единственный процесс в биосфере, ведущий к увеличению ее свободной энергии за счет внешнего источника. Запасенная в продуктах фотосинтеза энергия – основной источник энергии для человечества. Ежегодно в результате фотосинтеза на Земле образуется 150 млрд. тонн органического вещества и выделяется около 200 млн. тонн свободного кислорода. Круговорот кислорода, углерода и других элементов, вовлекаемых в фотосинтез, поддерживает современный состав атмосферы, необходимый для жизни на Земле. Фотосинтез препятствует увеличению концентрации СО 2 , предотвращая перегрев Земли вследствие так называемого «парникового эффекта». Поскольку зеленые растения представляют собой непосредственную или опосредованную базу питания всех других гетеротрофных организмов, фотосинтез удовлетворяет потребность в пище всего живого на нашей планете. Он – важнейшая основа сельского и лесного хозяйства. Квадратный метр поверхности листьев в течение одного часа продуцирует около одного грамма сахара; это значит, что все растения, по приблизительной оценке, изымают из атмосферы от 100 до 200 млрд. тонн С в год. Зеленое растение способно не только использовать углекислый газ и создавать сахар, но и превращать азотные соединения, и соединения серы в вещества, слагающие его тело. Через корневую систему растение получает растворенные в почвенной воде ионы нитратов и перерабатывает их в своих клетках в аминокислоты – основные компоненты всех белковых соединений. Компоненты жиров также возникают из соединений, образующихся в процессах обмена веществ и энергии. Из жирных кислот и глицерина возникают жиры и масла, которые служат для растения, главным образом, запасными веществами. Получение семян, жиров и масел играет важную роль в сельскохозяйственной и пищевой промышленности. Уравнение реакции, отображающее процесс фотосинтеза:
СО 2 + Н 2 О=С 6 Н 12 О 6 + О 2
Горение
Если мы замерзли, или хотим приготовить еду, то зажигаем огонь. Реакция горения это тоже окислительно – восстановительная реакция.
С + О 2 = СО 2
А знаете, что можно согреться и без огня, с помощью химических грелок. Например такой: совершенно сухую смесь железной (Fe) или алюминиевой (Al) стружки с солями меди (например, CuCl 2) можно хранить довольно долго, а при добавлении воды температура сразу же повышается почти до 100 о С за счет реакции:
Fe + CuCl 2 = FeCl 2 + Cu.
При этом грелка, в которой хлорид меди CuCl 2 превращается в хлорид железа FeCl 2 , сохраняет тепло около десяти часов.
Дыхание
Дыхание характерно для большинства живых организмов, оно просто неотделимо от жизни. Дыхание - это сложный непрерывный процесс поддержания на оптимальном уровне окислительно-восстановительных процессов в организме человека. В процессе дыхания принято различать три звена: легочное дыхание, транспорт газов кровью, тканевое дыхание.
При атмосферном давлении, равном 760 мм рт. ст. процесс дыхания протекает нормально. При понижении атмосферного давления, то есть при подъеме на высокие горы, во время полета в самолете происходит уменьшение содержания кислорода в составе воздуха. В результате недостатка в организме кислорода (гипоксии), у человека появляются признаки горной болезни: дыхание и пульс учащаются, появляются головная боль, мерцание в глазах, тошнота. Если при этом человек не получит кислород в необходимом количестве, он может потерять сознание. Поэтому во время полета в самолете в воздух дополнительно подается кислород.
Жители горных местностей приспособлены к жизни в таких условиях. Содержание эритроцитов в их крови увеличивается, что способствует усвоению кислорода воздуха в большом количестве. Лица, живущие в условиях нормального атмосферного давления, при необходимости подняться в высокие горы должны совершать подъем на высоту не сразу, а постепенно, давая возможность организму приспосабливаться.
Легочное дыхание - это газообмен между организмом и окружающим его атмосферным воздухом. Оно делится на два этапа: газообмен между атмосферным и альвеолярным воздухом, газообмен между альвеолярным воздухом и кровью.
Тканевое дыхание тоже разделено на два этапа. Первый этап - это обмен газов между кровью и тканями, второй связан с потреблением кислорода клетками и выделением ими углекислого газа. Дыхательный цикл состоит из вдоха, выдоха и дыхательной паузы. Обычно вдох короче выдоха. Оптимальное соотношение вдох/выдох = 1/2.
Суммарно процесс дыхания можно выразить следующим уравнением:
С 6 Н 12 О 6 + О 2 =СО 2 + Н 2 О + Q
Гниение
Благодаря процессам гниения осуществляется круговороты веществ в природе. Гнилостные бактерии, переводя органическое вещество в неорганическое, как бы начинают круговорот жизни. Но в то же время гниение – это процесс разрушения органических азотсодержащих соединений, главным образом белковых веществ, под действием микробных ферментов; составляет один из важных этапов в круговороте веществ в природе. В результате гниения из сложных органических соединений образуются простейшие вещества - Аммиак, углекислота, вода, сероводород, фосфорная, азотная, азотистая и серная кислоты, которые в живой природе служат исходными веществами для нового синтеза (неогенеза) сложных органических соединений. При гниении мяса и рыбы образуются птомаины (кадаверин, нейрин, холин и др.), обладающие токсическими свойствами. В организме человека процесс гниения происходит в основном в толстой кишке, где существуют оптимальные условия для жизнедеятельности гнилостных бактерий. Токсические соединения, образовавшиеся при гнилостном распаде белка в кишечнике, с кровью попадают в Печень, где происходит их обезвреживание. Интенсивность процессов гниения в кишечнике человека невелика, однако при ряде патологических состояний, сопровождающихся выделением в просвет кишечника крови, различных экссудатов или при кишечной непроходимости она возрастает, что может привести к эндогенной интоксикации. Опасно развитие гнилостной инфекции в ранах.
Медицина и окислительно-восстановительные реакции
Окислительно-восстановительные реакции активно происходят как на стадиях разложения организмов, так и на стадии заживления ран, излечивания от болезней. Одну из простейших окислительно-восстановительных реакций вы могли не только наблюдать, но и хотя бы раз в жизни провести!
Н 2 О 2 =Н 2 О + О 2
Перекисью водорода называется хорошо известное в народе вещество, которое широко используют как в медицине, так и для бытовых целей. В частности, перекись водорода рекомендуют как дезинфицирующее средство. Действие перекиси связано с тем, что при контакте с живой тканью она начинает быстро разлагаться. При этом выделяется молекулярный кислород, который способствует окислению органических компонентов разных клеток. При разложении перекиси кислород выделяется настолько энергично, что раствор вспенивается. Получившаяся при контакте с тканью пена помогает в механическом очищении повреждений и ран. Вместе с пеной из ран удаляется мусор, микроорганизмы, омертвевшие частицы тканей, гнойные выделения и так далее. Раствор перекиси водорода способен за счет пенообразования способствовать тромбообразованию и оказывать кровоостанавливающее действие при небольшом кровотечении.
Для целей отбеливания и дезинфекции пользуются окислительными свойствами таких наиболее известных средств, как пероксид водорода, хлор и хлорная, или белильная, известь.
Если требуется окислить с поверхности изделия какое-либо легко разрушающееся вещество, применяют пероксид водорода. Он служит для отбеливания шелка, перьев, меха. С его помощью также реставрируют старинные картины. Ввиду безвредности для организма пероксид водорода применяют в пищевой отрасли промышленности для отбеливания шоколада, рубцов и оболочек в производстве сосисок.
Хлор как сильный окислитель используют для стерилизации чистой воды и обеззараживания сточных вод. Хлор разрушает многие краски, на чем основано его применение при белении бумаги и тканей. Хлорная, или белильная, известь – это один из самых распространенных окислителей как в быту, так и в производственных масштабах.
Коррозия
Коррозия металлов – физико-химическое или химическое взаимодействие между металлом (сплавом) и средой, приводящее к ухудшению функциональных свойств металла (сплава), среды или включающей их технической системы.
Коррозия вызывается химической реакцией металла с веществами окружающей среды, протекающей на границе металла и среды. Чаще всего это окисление металла, например, кислородом воздуха или кислотами, содержащимися в растворах, с которыми контактирует металл. Особенно подвержены этому металлы, расположенные в ряду напряжений (ряду активности) левее водорода, в том числе железо.
Многие металлы, в том числе и довольно активные (например, алюминий) при коррозии покрываются плотной, хорошо скрепленной с металлами оксидной пленкой, которая не позволяет окислителям проникнуть в более глубокие слои и потому предохраняет металл от коррозии. При удалении этой пленки металл начинает взаимодействовать с влагой и кислородом воздуха.
Алюминий в обычных условиях устойчив к воздействию воздуха и воды, даже кипящей, однако если на поверхность алюминия нанести ртуть, то образующаяся амальгама разрушает оксидную пленку:
Al + H 2 O + O 2 = Al(OH) 3
Коррозии подвергаются и некоторые довольно мало активные металлы. Во влажном воздухе поверхность меди покрывается зеленоватым налетом (патиной) в результате образования смеси основных солей.
К коррозии металлов можно отнести также их растворение в жидких расплавленных металлах (натрий, свинец, висмут), которые используются, в частности, в качестве теплоносителей в ядерных реакторах.
Наиболее распространена коррозия в средах электролитов. В некоторых технологических процессах металлы контактируют с расплавами электролитов. Однако чаще всего коррозия протекает в растворах электролитов. Металл не обязательно должен быть полностью погружен в жидкость. Растворы электролитов могут находиться в виде тонкой пленки на поверхности металла. Они нередко пропитывают окружающую металл среду (почву, бетон и др.).
Во время строительства метромоста и станции «Ленинские горы» в Москве в бетон добавляли большое количество хлорида натрия, чтобы не допустить замерзания еще не схватившегося бетона. Станция была сооружена в кратчайшие сроки (всего за 15 месяцев) и открыта 12 января 1959. Однако присутствие хлорида натрия в бетоне вызвало разрушение стальной арматуры. Коррозии оказались подвергнуты 60% железобетонных конструкций, поэтому станция была закрыта на реконструкцию, продолжавшуюся почти 10 лет. Лишь 14 января 2002 состоялось повторное открытие метромоста и станции, получившей название «Воробьевы горы».
Использование солей (обычно хлорида натрия или кальция) для удаления снега и льда с дорог и тротуаров также приводит к ускоренному разрушению металлов. Сильно страдают транспортные средства и подземные коммуникации. Подсчитано, что только в США применение солей для борьбы со снегопадами и гололедом приводит к потерям на сумму около 2 млрд. долл. в год в связи с коррозией двигателей и 0,5 млрд. долл. на дополнительный ремонт дорог, подземных магистралей и мостов.
В средах электролитов коррозия обусловлена не только действием кислорода, воды или кислот на металлы, но и электрохимическими процессами.
Электрохимическая коррозия приводит к быстрому разрушению более активных металлов, которые в различных механизмах и устройствах контактируют с менее активными металлами, расположенными в электрохимическом ряду напряжений правее. Использование медных или латунных деталей в железных или алюминиевых конструкциях, которые работают в морской воде, существенно усиливает коррозию. Известны случаи разрушения и затопления кораблей, железная обшивка которых была скреплена медными заклепками.
По отдельности алюминий и титан устойчивы к действию морской воды, но если они контактируют в одном изделии, например в боксе для подводной фототехники, алюминий очень быстро разрушается, и бокс протекает.
Одной из причин возникновения электрохимической коррозии являются блуждающие токи, которые появляются вследствие утечки части тока из электрических цепей в почву или водные растворы, где они попадают на металлические конструкции. В местах выхода тока из этих конструкций вновь в почву или воду начинается растворение металла. Такие зоны разрушения металлов под действием блуждающих токов особенно часто наблюдаются в районах наземного электрического транспорта (трамвайные линии, железнодорожный транспорт на электрической тяге). Эти токи могут достигать несколько ампер, что приводит к большим коррозионным разрушениям. Например, прохождение тока силой в 1 А в течение одного года вызовет растворение 9,1 кг железа, 10,7 кг цинка, 33,4 кг свинца.
Полностью предотвратить коррозию можно только в инертной среде, например в атмосфере аргона, однако реально создать такую среду при эксплуатации конструкций и механизмов в подавляющем большинстве случаев невозможно. На практике для снижения коррозионной активности среды из нее стараются удалить наиболее реакционноспособные компоненты, например, снижают кислотность водных растворов и почв, с которыми могут контактировать металлы. Одним из методов борьбы с коррозией железа и его сплавов, меди, латуни, цинка, свинца является удаление из водных растворов кислорода и диоксида углерода. В энергетике и некоторых отраслях техники воду освобождают также от хлоридов, которые стимулируют локальную коррозию. Для снижения кислотности почвы проводят известкование.
Агрессивность атмосферы сильно зависит от влажности. Для любого металла есть некоторая критическая относительная влажность, ниже которой он не подвергается атмосферной коррозии.
Один из способов защиты от коррозии основывается на разработке новых материалов, обладающих более высокой коррозионной стойкостью. Часто применяют поверхностное легирование недорогих железных сплавов цинком, алюминием, хромом.
Для замедления коррозии на поверхность металла наносят лаки и краски, минеральные масла и смазку. Подземные конструкции покрывают толстым слоем битума или полиэтилена.
Одним из наиболее эффективных методов борьбы с коррозией является электрохимическая защита. Для защиты буровых платформ, сварных металлических оснований, подземных трубопроводов их подключают в качестве катода к внешнему источнику тока. В качестве анода используются вспомогательные инертные электроды.
Защита одного металла другим, более активным металлом, расположенным в ряду напряжений левее, эффективна и без наложения разности потенциалов. Более активный металл (например, цинк на поверхности железа) защищает от разрушения менее активный металл.
О вредном действии коррозии знают все, но нельзя и недооценивать ее значение. С глубокой древности известен способ превращения железа в сталь, через ржавление. Суммарно процесс ржавления можно выразить уравнением:
Fe + Н 2 О + О 2 =Fe(OH) 3
Черкесы на Кавказе закапывали полосовое железо в землю, а, откопав его через 10-15 лет, выковывали из него свои сабли, которые могли перерубить даже ружейный ствол, щит врага. После выкапывания ржавое железо вместе с органическими веществами нагревали в горнах, ковали, а затем охлаждали водой – закаливали.
Электролиз
Золочение предметов известно с давних пор, так как позолоченные изделия очень красивы. Прежде, когда электролиз и гальванотехника не были изобретены, изделия из металлов золотили так: на них наносили тестообразную амальгаму золота (сплав его с ртутью); затем накаливали докрасна; при этом ртуть испарялась, а золото оставалось. Но пары ртути очень ядовиты, так, например, при золочении куполов Исаакиевского собора в Петербурге от отравления ртутью погибло 60 рабочих.
Пиротехника
Окислительно-восстановительные реакции находят применение и в военных целях. Их применяются для изготовления оружия, снарядов, сигнальных ракет и зажигательных смесей, изготовление огнеупорных материалов, техники и т.д. Но окислительно-восстановительные реакции с точки зрения пиротехники выполняют не только разрушающую миссию, но и несут светлое и красивое в нашу жизнь. В данном случае имеются в виду фейерверки.
(NH 4) 2 Cr 2 O 7 =Сr 2 O 3 + N 2 + H 2 O
©2015-2019 сайт
Все права принадлежать их авторам. Данный сайт не претендует на авторства, а предоставляет бесплатное использование.
Дата создания страницы: 2016-04-11
С окислительно-восстановительными реакциями связаны дыхание и обмен веществ, гниение и брожение, фотосинтез и нервная деятельность живых организмов. Окислительно-восстановительные процессы лежат в основе горения топлива, коррозии металлов, электролиза, металлургии и т.д. Реакции, протекающие с изменением степени окисления атомов, входящих в состав реагирующих молекул, называются окислително- восстановительными. Процессы окисления и восстановления протекают одновременно: если один элемент, участвующий в реакции, окисляется, то другой должен восстанавливаться. Окислитель - это вещество, содержащее элемент, который принимает электроны и понижает степень окисления. Окислитель в результате реакции восстанавливается. Так, в реакции 2Fe +3 Cl - 3 + 2K + I - -> I 2 0 + 2Fe +2 Cl 2 - + 2K + Cl - . Восстановитель - вещество, содержащее элемент, который отдает электроны и повышает степень окисления. Восстановитель в результате реакции окисляется. Восстановителем в предлагаемой реакции является ион I - . Источником электрической энергии в элементе служит химическая реакция вытеснения меди цинком: Zn + Cu 2+ + Cu. Работа окисления цинка, равная убыли изобарно-изотермического потенциала, может быть представлена как произведение переносимого электричества на величину э. д. с.: A=--дG 0 =п EF, где п- заряд катиона; Е - з. д. с. элемента и F- число Фарадея. С другой стороны, по уравнению изотермы реакции. Окислительно-восстановительные потенциалы имеют большое значение в физиологии человека и животных. К числу редок-сисистем относятся такие системы в крови и тканях, как гем/гематии и цитохромы, в которых содержится двух- и трехвалентное железо; аскорбиновая кислота (витамин С), находящаяся в окисленной и восстановленной формах; система глутатиона, цистин-цистеина янтарной и фумаровой кислот и др.Важнейший процесс биологического окисления, а именно перенос электронов и протонов с окисляемого субстрата на кислород осуществляемый в тканях при помощи строго определенного рядя промежуточных ферментов-переносчиков, также представляет собой цепь окислительно-восстановительных процессов. Каждое звене этой цепи соответствует той или иной редокс-системе, характерезующейся определенным редокс-потенциалом.
Определение направления окислительно-восстановительных реакций по стандартным значениям свободной энергии образования реагентов и по величинам окислительно-восстановительных потенциалов.
Различные процессы жизнедеятельности сопровождаются возникновением в организме электрохимических процессов, играющих существенную роль в обмене веществ. Электрохимические превращения в организме можно разделить на две основные группы: процессы, связанные с переносом электронов и возникновением окислительно-восстановительных потенциалов; процессы, связанные с переносом ионов (без изменения их зарядов) и с образованием биоэлектрических потенциалов. В результате этих процессов возникают разности потенциалов между разными прослойками тканей, находящихся в различных физиологических состояниях. Они связаны с различной интенсивностью окислительно-восстановительных биохимических процессов. К ним относятся, например, потенциалы фотосинтеза, возникающие между освещенными н неосвещенными участками листа, причем освещенный участок оказывается положительно заряженным по отношению к неосвещенному. Окислительно-восстановительные процессы первой группы в организме можно разделить на три типа: 1.Непосредственный перенос электронов между веществами без участия атомов кислорода и водорода, например, перенос электрона в цитохромах: цитохром (Fе 3+) + е -> цитохром (Ре 2+) и перенос электрона в ферменте цитохромоксидазе: цитохромоксидаза (Си 2+) + е -> цитохромоксидаза (Си 1+). 2. Окислительный, связанный с участием атомов кислорода и ферментов оксидаз, например, окисление альдегидной группы субстрата в кислотную: RСОН + O ó RСООН. 3.рН-Зависимый, происходящий в присутствии ферментов дегидрогеназ (Е) и коферментов (Ко), которые образуют активированный комплекс фермент-кофермент-субстрат (Е-Ко-5), присоединяет электроны и катионы водорода от субстрата и вызывает его окисление.Такими коферментами являются никотинамид-аденин-нуклеотид (НАД +), который присоединяет два электрона и один протон: S-2Н - 2е + НАД* ó S + НАДН + Н + , флавин-аденин-динуклеотид (ФАД), который присоединяет два электрона и два протона: S - 2Н - 2е + ФАД óS + ФАДН 2 , и убихинон или кофермент Q (КоО), который также присоединяет два электрона и два протона: S-2Н - 2е + КоQ ó S + КоQН 2 .
Биологическое окисление – это совокупность окислительно-восстановительных превращений различных веществ в живых организмах. Окислительно-восстановительными называют реакции, протекающие с изменением степени окисления атомов вследствие перераспределения электронов между ними.
Типы процессов биологического окисления :
1)аэробное (митохондриальное) окисление предназначено для извлечения энергии питательных веществ с участием кислорода и накоплении её в виде АТФ. Аэробное окисление называется также тканевым дыханием , поскольку при его протекании ткани активно потребляют кислород.
2) анаэробное окисление – это вспомогательный способ извлечения энергии веществ без участия кислорода. Анаэробное окисление имеет большое значение при недостатке кислорода, а также при выполнении интенсивной мышечной работы.
3) микросомальное окисление предназначено для обезвреживания лекарств и ядов, а также для синтеза различных веществ: адреналина, норадреналина, меланина в коже, коллагена, жирных кислот, желчных кислот, стероидных гормонов.
4) свободнорадикальное окисление необходимо для регуляции обновления и проницаемости клеточных мембран.
Основным путём биологического окисления является митохондриальное , связанное с обеспечением организма энергией в доступной для использования форме. Источниками энергии для человека являются разнообразные органические соединения: углеводы, жиры, белки. В результате окисления питательные вещества распадаются до конечных продуктов, в основном - до СО 2 и Н 2 О (при распаде белков также образуется NH 3). Выделяемая при этом энергия накапливается в виде энергии химических связей макроэргических соединений, преимущественно – АТФ.
Макроэргическими называются органические соединения живых клеток, содержащие богатые энергией связи. При гидролизе макроэргических связей (обозначаются извилистой линией ~) высвобождается более 4 ккал/моль (20 кДж/моль). Макроэргические связи образуются в результате перераспределения энергии химических связей в процессе обмена веществ. Большинство макроэргических соединений являются ангидридами фосфорной кислоты, например, АТФ, ГТФ, УТФ и т.д. Аденозинтрифосфат (АТФ) занимает центральное место среди веществ с макроэргическими связями.
аденин – рибоза – Р ~ Р ~ Р, где Р – остаток фосфорной кислоты
АТФ находится в каждой клетке в цитоплазме, митохондриях и ядрах. Реакции биологического окисления сопровождаются переносом фосфатной группы на АДФ с образованием АТФ (этот процесс называется фосфорилированием ). Таким образом, энергия запасается в форме молекул АТФ и при необходимости используется для выполнения различных видов работы (механической, электрической, осмотической) и для осуществления процессов синтеза.
Система унификации субстратов окисления в организме человека
Непосредственное использование химической энергии, содержащейся в молекулах пищевых веществ невозможно, потому что при разрыве внутримолекулярных связей выделяется огромное количество энергии, которое может привести к повреждению клетки. Чтобы пищевые вещества, поступившие в организм, должны пройти ряд специфических превращений, в ходе которых происходит многостадийный распад сложных органических молекул на более простые. Это даёт возможность постепенного высвобождения энергии и запасания её в виде АТФ.
Процесс превращения разнообразных сложных веществ в один энергетический субстратназывается унификацией. Выделяют три этапа унификации:
1. Подготовительный этап протекаетв пищеварительном тракте, а также в цитоплазме клеток организма. Крупные молекулы распадаются на составляющие их структурные блоки: полисахариды (крахмал, гликоген) – до моносахаридов; белки – до аминокислот; жиры – до глицерина и жирных кислот. При этом выделяется небольшое количество энергии (около 1%), которая рассеивается в виде тепла.
2. Тканевые превращения начинаются в цитоплазме клеток, заканчиваются в митохондриях. Образуются ещё более простые молекулы, причём число их типов существенно уменьшается. Образующиеся продукты являются общими для путей обмена разных веществ: пируват, ацетил-коэнзимА (ацетил-КоА), α-кетоглутарат, оксалоацетат и др. Важнейшим из таких соединений является ацетил-КоА – остаток уксусной кислота, к которому макроэргической связью через серу S присоединён коэнзим А - активная форма витамина В 3 (пантотеновой кислоты). Процессы распада белков, жиров и углеводов сходятся на этапе образования ацетил-КоА, образуя в дальнейшем единый метаболический цикл. Для этого этапа характерно частичное (до 20%) освобождение энергии, часть которой аккумулируется в виде АТФ, а часть рассеивается в виде тепла.
3. Митохондриальный этап . Продукты, образовавшиеся на второй стадии, поступают в циклическую окислительную систему - цикл трикарбоновых кислот (цикл Кребса) и связанную с ним дыхательной цепи митохондрий. В цикле Кребса ацетил-КоА окисляется до СО 2 и водорода, связанного с переносчиками – НАД + ·Н 2 и ФАД·Н 2 . Водород поступает в дыхательную цепь митохондрий, где происходит его окисление кислородом до Н 2 О. Этот процесс сопровождается высвобождением примерно 80% энергии химических связей веществ, часть которой используется на образование АТФ, а часть - выделяется в виде тепла.
|
Углеводы (полисахариды) | |||
|
I подготовительный; высвобождается 1% энергии питательных веществ (в виде тепла); |
аминокислоты |
глицерин, жирные кислоты |
|
|
II тканевые превращения; 20% энергии в виде тепла и АТФ |
ацетил-КоА (СН 3 -СО~SKoA) |
||
|
III митохондриальный этап; 80% энергии (примерно половина - в виде АТФ, остальное - в виде тепла). |
Цикл трикарбоновых кислот Дыхательная цепь митохондрий О 2 |
||
Классификация и характеристика основных оксидоредуктаз в тканях
Важной особенностью биологического окисления является то, что оно протекает под действием определённых ферментов (оксидоредуктаз). Все необходимые ферменты для каждой стадии объединены в ансамбли, которые, как правило, фиксируются на различных клеточных мембранах. В результате слаженного действия всех ферментов химические превращения осуществляются постепенно, как на конвейере. При этом продукт реакции одной стадии является исходным соединением для следующей стадии.
Классификация оксидоредуктаз :
1. Дегидрогеназы осуществляют отщепление водорода от окисляемого субстрата:
SH 2 + A → S +AH 2
В процессах, связанных с извлечением энергии, наиболее распространённый тип реакций биологического окисления – дегидрирование , то есть отщепление от окисляемого субстрата двух атомов водорода и перенос их на окислитель. В действительности водород в живых системах находится не в виде атомов, а представляет собой сумму протона и электрона (Н + и ē), маршруты движения которых различны.
Дегидрогеназы являются сложными белками, их коферменты (небелковая часть сложного фермента) способны быть и окислителем, и восстановителем. Забирая водород от субстратов коферменты переходят в восстановленную форму. Восстановленные формы коферментов могут отдавать протоны и электроны водорода другому коферменту, который имеет более высокий окислительно-восстановительный потенциал.
1) НАД + - и НАДФ + -зависимые дегидрогеназы (коферменты - НАД + и НАДФ + - активные формы витамина РР). Присоединяют два атома водорода от окисляемого субстрата SH 2 , при этом образуется восстановленная форма - НАД + ·Н 2:
SH 2 + НАД + ↔ S + НАД + ·Н 2
2) ФАД-зависимые дегидрогеназы (коферменты - ФАД и ФМН – активные формы витамина В 2). Окислительные способности этих ферментов позволяют им принимать водород как непосредственно от окисляющегося субстрата, так и от восстановленного НАДН 2 . При этом образуются восстановленные формы ФАД·Н 2 и ФМН·Н 2 .
SH 2 + ФАД ↔ S + ФАД·Н 2
НАД + ·Н 2 + ФМН ↔ НАД + + ФМН·Н 2
3) коэнзим Q или убихинон, который может дегидрировать ФАД·Н 2 и ФМН·Н 2 и присоединять два атома водорода, превращаясь в КоQ·Н 2 (гидрохинон ):
ФМН·Н 2 + КоQ ↔ ФМН + КоQ·Н 2
2. Железосодержащие переносчики электронов геминовой природы – цитохромы b, c 1 , c, a, a 3 . Цитохромы – это ферменты, относящиеся к классу хромопротеидов (окрашенных белков). Небелковая часть цитохромов представлена гемом , содержащим железо и близким по строению к гему гемоглобина.Одна молекула цитохрома способна обратимо принимать один электрон, при этом меняется степень окисления железа:
цитохром(Fe 3+) + ē ↔ цитохром(Fe 2+)
Цитохромы a, a 3 образуют комплекс, называемый цитохромоксидазой . В отличие от других цитохромов, цитохромоксидаза способна взаимодействовать с кислородом – конечным акцептором электронов.
