Окисление и восстановление с точки зрения биологии

В этом ролике я рассмотрю то, что мы знаем из уроков химии об окислении и противоположном процессе — восстановлении. Но потом мы узнаем, как использование понятий, выученных нами на уроках химии согласуется с тем, как биологи и биохимики используют эти понятия. И скорее всего мы убедимся в том, что они используют эти понятия таким же образом. Вернемся немного к пройденному, если вы смотрели ролики по химии, вы можете представить, что такое окисление. Давайте повторим. Окисление это отдача электронов, я напишу в кавычках, потому что не обязательно терять электроны. Это вы должны знать из химии. Итак, а еще вы должны знать, что восстановление – это получение. Я помещу это в кавычки. Присоединение электронов или получение электронов. Я помещу это в кавычки, потому что необязательно, что вы присоединяете электроны. Вы их оттягиваете к себе. Процесс называют восстановлением потому что при присоединении электронов, если они действительно присоединяются, заряд восстанавливается. А окисление так названо, потому что электроны обычно переходят к кислороду. Хотя не обязательно к нему. Это может быть молекула любая другая, которая забирает электроны. Давайте рассмотрим какой-нибудь пример, чтобы разобраться подробнее. Возьмем молекулярный водород, он находится в газообразном состоянии, и будем сжигать его молекулярным кислородом. То же самое произошло на дирижабле Гинденбург. Баллон был полностью заполнен водородом и было достаточно небольшой искры, чтобы началась реакция с кислородом, результат - большой взрыв. В этом процессе на каждый моль молекулярного кислорода, если у нас есть два моля молекулярного водорода, я проверяю уравняли ли мы это уравнение, мы получим два моля Н2О и немного тепла. Эта смесь действительно взорвется. Плюс много тепла, очень много тепла. Итак, что я хочу сказать помимо истории с дирижаблем. Это - наглядный пример, хорошо иллюстрирующий, что окисляется, и что восстанавливается. Таким образом в нашем случае с водородом, молекулярный водород выглядит так. У нас есть связь водород-водород. Каждый из них делит электрон с соседним атомом, и каждый из них имеет полностью заполненную 1s орбиталь. Они не отдают и не отбирают друг у друга электроны. В таком случае говорят о нулевой степени окисления. Они не принимают и не теряют электроны. Только делят их между собой. Тоже верно для молекулярного кислорода. На самом деле здесь двойная связь между двумя кислородами. Но эти два атома – оба кислороды, и они не теряют и не отдают электроны друг другу. А в этой части уравнения нас ждет кое-что интересное. У нас каждый кислород связан с двумя водородами, вот таким образом. 2 водорода. Кислород здесь оттягивает все электроны водорода. Итак, у водорода на внешней электронной оболочке находится один электрон. Связь с большой степенью ковалентности, это когда я даю вам электрон, вы мне даете электрон, и у нас обоих есть целая пара электронов. Но мы знаем и помним, что кислород гораздо более электроотрицательный, чем водород. Это глюкоза из нашего ролика о клеточном дыхании. Пока мы не будем обращать на нее внимания, но в последующем свяжем всё это вместе. Итак, если мы посмотрим в таблицу Менделеева, как мы помним из уроков химии, электроотрицательность увеличивается вправо и вверх по таблице. Здесь находятся самые электроотрицательные элементы, а это элементы с самой низкой электроотрицательностью. Электроотрицательность – это способность оттягивать электроны. Электроотрицательность. Способность оттягивать электроны. Давайте запишу здесь. Хотя кислород и водород связаны ковалентной связью в воде, и они делят электроны, кислород более электроотрицательный атом, гораздо более электроотрицательный чем водород, поэтому кислород будет оттягивать электроны к себе. Если вы возьмете какие-нибудь элементы с этой стороны и соедините с элементами с этой, эти окажутся настолько более электроотрицательными, чем элементы слева, что полностью забирут электроны, а не только оттянут. Но когда говорят "электроотрицательность", подразумевают родство к электронам. Если посмотреть на эту связь между водородом и кислородом, мы видим из таблицы Менделеева, что кислород гораздо более электроотрицательный, и электроны в основном находятся около кислорода. Мы знаем о водородной связи. Знаем, что на этой стороне молекулы воды образуется частичный отрицательный заряд, а на этой стороне возникает частичный положительный заряд. И электроны все еще то и дело появляются вокруг водородов. Когда говорят об окислении и восстановлении... смотрите, здесь нет частичных зарядов. Если один из этих атомов сильнее оттягивает электрон, чтобы определить степень окисления, мы говорим, что он забрал электрон. Чтобы определить степень окисления, мы учитываем, что кислород в воде забирает один электрон и мы припишем ему степень окисления минус один. Принято писать знак заряда после числа. Так мы не перепутаем с настоящими зарядами. Итак, здесь один минус, потому что, с точки зрения степени окисления, кислород забирает электрон. Но в действительности он не совсем забирает электрон. Поэтому я написал это в кавычках. Он не получает электрон насовсем. У кислорода электрон находится большую часть времени. Кислород оттягивает электроны. А этот водород... внимательнее, не он, а кислород получает один электрон от этого водорода и другой электрон от этого. И теперь нужно отметить два минус вместо один минус. Два минус, потому что он оттягивает один электрон отсюда и один отсюда. Обычно, когда кислород связан с другим атомом или элементом, не с кислородом, его степень окисления два минус, его степень окисления составляет два минус. Это произошло, потому что он получил два электрона. Он получил два электрона. Давайте напишем это в кавычках. Получил два электрона. Мы знаем, что на самом деле, он не забирает их, а только оттягивает. Каждый из этих атомов потерял электрон. И поэтому его степень окисления один плюс. И его степень окисления тоже один плюс. Итак, мы можем сказать, что при горении водорода в кислороде, водород с нулевой степенью окисления, приобретает положительную степень окисления, потому что они теряют свои электроны, когда связываются с кислородом. В таком случае говорят, что они окисляются. Атомы водорода окисляются. Атомы водорода окислились. Итак, в результате этой реакции водород окислился. Почему же он окислился? Давайте подумаем... А потому что раньше он мог отлично делить электроны. Но теперь он связан с кислородом, который оттягивает его электроны. Так водород отдает свои электроны кислороду, то есть окисляется. Соответственно в реакции горения кислород восстанавливается. Итак, в реакции горения кислород восстанавливается. Почему он восстанавливается? Здесь он делит электроны. Он не терял их и не приобретал. Но здесь он связан с элементом с гораздо более низкой электроотрицательностью, и начинает оттягивать к себе электроны, он забирает электроны. Так этот гипотетический заряд уменьшается на два. Мы можем сосчитать все электроны. Так как мы говорим об отдаче и получении электронов, мы можем написать две полуреакции. Вы немного касались этого на уроках химии. Но повторить не помешает. Я добавлю это в плейлист по биологии, чтобы вы могли освежить свои знания с помощью этих материалов. Итак, мы можем написать две полуреакции. Начнем с двух молей молекулярного водорода. Атомы в нулевой степени окисления, то есть они нейтральны. То есть здесь было бы написано нуль. А с другой стороны, получаем два моля Н2. Но каждый из водородов сейчас в степени окисления плюс один. Пишу: один плюс. Можно сказать и иначе: у каждого из них, здесь четыре водорода. Молекулярный водород содержит два атома водорода, и у нас его два моля. Поэтому здесь четыре водорода. Каждый из водородов отдает электрон. Итак, плюс четыре электрона. Это полуреакция для водорода. Он теряет четыре электрона. Иначе говоря, водород окисляется, так как теряет электроны. Окисление – отдача электронов. А теперь я напишу другую полуреакцию, для кислорода. Я начну с одного моля молекулярного кислорода и добавлю четыре электрона. Я не могу взять электроны из ниоткуда. Я беру электроны от водорода и отдаю их кислороду. Итак, на этой стороне полуреакции я получу два моля (лучше запишу так) два моля кислорода. И каждый их них в степени окисления два минус. Итак, это – полуреакции. Все это показывает, что водород в процессе горения теряет электроны. А кислород получает электроны, отданные водородом. То есть кислород восстанавливается. Кислород восстанавливается. Все справедливо и хорошо, мы повторили то, что вы изучали на химии. Но теперь я все запутаю. Теперь я расскажу, как об этом говорят биологи. Это не всегда так. Иногда биологи используют определения, которые вы учили на химии. Но биологи, это часто встречается в учебниках, говорят, и это меня сбивает с толку, что окисление – это отдача атомов водорода. А восстановление – это присоединение атомов водорода. Итак, иногда биологи говорят иначе: окисление – отдача водорода, а восстановление – это присоединение атомов водорода. И когда я впервые услышал это, я подумал, я проходил на уроках химии, что они говорят об электронах. Атомы водорода, как вы знаете, это протон и электрон, как же это соотнести? Чем схожи эти два определения? Это и является основной задачей данного ролика — выяснить как одно определение согласуется с другим. В биологических системах водород часто перемещается. Он связывается с углеродом, кислородом, фосфором, азотом. Такое зачастую происходит в биологическом мире. И если посмотреть на таблицу Менделеева, то мы увидим, где находится водород, а где находится углерод, азот, кислород и фосфор и все другие элементы. Вы видите, что все другие составляющие живых систем, с которыми обычно связан водород, все эти элементы намного, более электроотрицательные. Итак, если углерод связан с водородом, углерод оттягивает электрон. И если потом этот водород перейдет к кислороду, вместе с электроном, углерод потеряет атом водорода, а на самом деле он теряет электрон, который притягивал раньше. Теперь электрон оттягивает к себе кислород. То есть эти определения не противоречат друг другу. Я показал вам этот пример потому, что биологическое определение здесь не применимо. Иными словами, вы можете сказать, кислород присоединяет водороды в этой реакции. И мы точно можем сказать, что кислород в восстановленном состоянии по биологическому определению. Но мы точно не можем говорить, что водород теряет здесь водороды. В этом случае водород только теряет электроны. Он не теряет себя. Я думаю, мы можем говорить, он теряет себя, потому что его присоединяют. Но биологическое определение исходит из точки зрения, когда водород связывается с чем-либо в биологических соединениях, он обычно дает электроны. Так, если углерод теряет водород и отдает его кислороду, углерод теряет электроны водорода, которые он мог оттягивать к себе. А теперь их притягивает к себе кислород. То есть, углерод окисляется и кислород восстанавливается. Надеюсь, вы не будете путаться. В следующем ролике я покажу несколько других примеров. Мы рассматривали все это, чтобы потом перейти к клеточному дыханию. Теперь вы не запутаетесь, когда услышите, что НАД восстанавливается, когда присоединяет водород. Или окисляется, когда теряет водород и так далее. Я хотел бы, чтобы бы вы поняли, что это — то же определение, которое вы учили на уроках химии. Subtitles by the Amara.org community