W tym artykule rozważymy zjawisko utleniania. To wieloskładnikowe pojęcie, które pojawia się w różnych dziedzinach nauki, takich jak biologia czy chemia. Zapoznamy się również z różnorodnością tego procesu i jego istotą.
Wprowadzenie
Z podstawowego i oryginalnego punktu widzenia utlenianie jest procesem o charakterze chemicznym, któremu towarzyszy wzrost stopnia utlenienia atomowego substancji, która mu podlega. Zjawisko to występuje na skutek przeniesienia elektronów z jednego atomu (reduktora i donora) na drugi (akceptor i utleniacz).
Ta jednostka terminologiczna została wprowadzona do obiegu chemii na początku XIX wieku, a akademik V. M. Severgin do stworzenia oznaczenia wskazującego na oddziaływanie substancji z tlenem z powietrza atmosferycznego.
W niektórych przypadkach utlenianiu cząsteczki towarzyszy powstanie niestabilności w strukturze substancji i prowadzi do jej rozpadu na cząsteczki o większej stabilności i małych rozmiarach. Faktem jest, że proces ten można powtórzyć na kilku różnych poziomach mielenia. Oznacza to, że utworzone mniejsze cząstki mogą równieżmają wyższy stopień utlenienia niż cząstki atomowe, które były pierwotnie w tej samej substancji, ale większe i bardziej stabilne.
W chemii istnieje pojęcie najniższego i najwyższego stopnia utlenienia. To pozwala nam klasyfikować atomy według ich zdolności do wykazywania tej właściwości. Najwyższy stopień utlenienia odpowiada numerowi grupy, w której znajduje się pierwiastek. Najniższy stopień z reguły jest określany przez zgodność liczby parzystej i nieparzystej: najwyższa 8=najniższa 2, najwyższa 7=najniższa 1.
Spalanie
Spalanie to proces utleniania. W powietrzu atmosferycznym (a także w środowisku czystego tlenu) mogą ulegać utlenieniu w postaci spalania. Przykładem mogą być różne substancje: najprostsze pierwiastki substancji metali i niemetali, związków nieorganicznych i organicznych. Jednak najbardziej praktycznie istotna jest substancja palna (paliwo), wśród której znajdują się naturalne rezerwy ropy naftowej, gazów, węgla, torfu itp. Najczęściej tworzą się one ze złożonej mieszaniny węglowodorów z niewielką zawartością tlenu, siarki, związki organiczne zawierające azot, a także śladowe wtrącenia innych pierwiastków.
Biologiczne utlenianie
W biologii reakcje utleniania to procesy, które razem zbiegają się do zmiany stopnia utlenienia atomów biorących udział w reakcji, a dzieje się tak dzięki dystrybucji elektronowej między oddziałującymi składnikami.
Pierwsze założenie jest takie, że we wszystkich żywych organizmach najbardziej złożona chemia. reakcja, została wysunięta w XVIIIstulecie. Problem zbadał francuski chemik A. Lavoisier. Zwrócił uwagę na fakt, że przebiegi spalania i utleniania w biologii są do siebie podobne.
Naukowcy przeprowadzili badanie ścieżki tlenu, który został wchłonięty przez żywą istotę podczas oddychania. Poinformowali, że te procesy utleniania są podobnymi procesami zachodzącymi w różnym tempie. Zwrócił uwagę na proces rozkładu, który, jak się okazało, opiera się na zjawisku oddziaływania cząsteczki tlenu (środka utleniającego) z substancją organiczną, w skład której wchodzą atomy węgla i/lub wodoru. W wyniku rozkładu następuje absolutna przemiana materii.
Były momenty procesu, których naukowcy nie mogli w pełni zrozumieć, w tym pytania:
- Dlaczego utlenianie odbywa się w warunkach niskiej temperatury ciała, pomimo jego obecności na zewnątrz ciała, tylko w wysokiej temperaturze.
- Z jakiego powodu reakcje utleniania to zjawiska, którym nie towarzyszy wyzwolenie płomienia, a także ogromne wyzwolenie uwolnionej energii.
- Jak jest "spalanie" zakresu składników odżywczych w organizmie, jeśli w 80% (w przybliżeniu) składa się on z cieczy - wody H2O.
Rodzaje biologicznego utleniania
W zależności od warunków środowiska, w którym zachodzi utlenianie, dzieli się je na dwa typy. Większość grzybów i mikroorganizmów pozyskuje zasoby energii poprzez przekształcanie składników odżywczych w procesie beztlenowym. Ta reakcjazachodzi bez dostępu do tlenu cząsteczkowego i jest również nazywana glikolizą.
Bardziej złożonym sposobem przetwarzania składników odżywczych jest tlenowa forma biologicznego utleniania lub oddychanie tkanek. Brak tlenu powoduje, że komórki nie utleniają się na energię i umierają.
Pozyskiwanie energii przez żywy organizm
W biologii utlenianie jest zjawiskiem wieloskładnikowym:
- Glikoliza jest początkowym etapem organizmów heterotroficznych, podczas którego monosacharydy są rozszczepiane bez dostępu tlenu i poprzedza rozpoczęcie procesu oddychania komórkowego.
- Utlenianie pirogronianu - konwersja kwasów pirogronowych do acetylokoenzymu. Reakcje te są możliwe tylko przy udziale kompleksów enzymatycznych dehydrogenazy pirogronianowej.
- Proces rozkładu beta-kwasów tłuszczowych jest zjawiskiem przebiegającym równolegle z utlenianiem pirogronianu, którego celem jest przetworzenie każdego kwasu tłuszczowego do acetylokoenzymu. Ponadto substancja ta jest dostarczana do cyklu kwasów trikarboksylowych.
- Cykl Krebsa - konwersja acetylokoenzymu do kwasu cytrynowego i dalsza ekspozycja na kolejne przemiany (zjawiska odwodornienia, dekarboksylacji i regeneracji).
- Fosforylacja oksydacyjna jest ostatnim etapem transformacji, w której organizm eukariotyczny przekształca difosforan adenozyny w kwasy adenozynotrifosforowe.
Z tego wynika, że utlenianie jest procesem obejmującym:
- zjawiskousuwanie wodoru z podłoża, które ulega utlenianiu (odwodornieniu);
- Zjawisko odrzutu elektronu podłoża;
- zjawisko dodawania cząsteczki tlenu do podłoża.
Reakcja na metalach
Utlenianie metalu to reakcja, podczas której w wyniku oddziaływania pierwiastka z grupy metali i O2 powstają tlenki (tlenki).
Szeroko rozumiana reakcja, w której atom traci elektron i tworzy różne związki, na przykład chlorki, siarczki itp. W stanie naturalnym najczęściej metale mogą być tylko całkowicie utlenione stan (w postaci rudy). Z tego powodu proces utleniania przedstawiany jest jako reakcja redukcji różnych składników związku. Praktycznie stosowane substancje metali i ich stopów, oddziałując z otoczeniem, ulegają stopniowemu utlenianiu – ulegają korozji. Procesy utleniania metali zachodzą pod wpływem czynników termodynamicznych i kinetycznych.
Walencja i utlenianie
Stan utlenienia to wartościowość. Jest jednak między nimi pewna różnica. Faktem jest, że wartościowość chemii. pierwiastek człowiek określa zdolność atomu do tworzenia określonej liczby wiązań chemicznych z innymi typami atomów. Wynika to z obecności odpowiednio różnych typów atomów, różnej zdolności do tworzenia relacji. Jednak wartościowość może występować tylko w związku kowalencyjnym i powstaje w wyniku utworzenia wspólnej pary elektronów między atomami. Stopieńutlenianie, w przeciwieństwie do wartościowości, jest stopniem warunkowego ładunku, jaki posiada atom substancji. Może być dodatni „+”, zero „0” i ujemny „-”. Również stan utlenienia sugeruje, że wszystkie wiązania w substancji są jonowe.
Reakcja nad wodą
Ponad dwa miliardy lat temu organizmy roślinne podjęły jeden z najważniejszych kroków w kierunku początku ewolucji. Proces fotosyntezy zaczął nabierać kształtu. Jednak początkowo fotoutlenianiu poddano tylko zredukowane substancje typu siarkowodoru, które występowały na ziemi w ekstremalnie małych rozmiarach. Utlenianie wody to proces, który wprowadza do atmosfery znaczną ilość tlenu cząsteczkowego. Umożliwiło to przejście procesów bioenergetycznych na nowy poziom tlenowy. To samo zjawisko pozwoliło na utworzenie osłony ozonowej, która chroni życie na Ziemi.
