Окисление и редукция - преглед от биологична гледна точка

В този видеоклип искам да преговорим какво научихме в часовете по химия за окислението и неговата противоположност – редукцията. След това ще видим как това е свързано с начина, по който биолозите и биохимиците използват тези термини. Накрая ще видим, че няма разлика в двете тълкувания. Ако не гледа плейлиста от раздела за химия, ще преговорим. Има лесен начин да запомниш двата процеса: ООЕ и РПЕ. ООЕ означава „окисление, отдаване на електрони“. Всъщност не е необходимо да се отдават електрони. По-късно ще ти покажа. Това научихме в часовете по химия. Също така разбрахме, че при редукцията се приемат електрони. Ще го напиша в кавички. „Приемат се електрони.“ Ще го сложа в кавички, защото не е необходимо да се приемат електрони. По-скоро се привличат. Нарича се редукция, защото при приемане на електрони зарядът се намалява. Нарича се окисление, защото се отдават електрони на кислорода. Но не е необходимо да е кислород. Може да е всяка една молекула, която привлича електрони. Ще ти дам пример, за да не съм толкова абстрактен. Ще вземем молекулярен водород в газообразно състояние и ще го взривим с молекулярен кислород. Това се случи с дирижабъла Хинденбург. Напълниха балон с водород и при контакт с кислород и една малка искра се получи огромен взрив. В този процес за всеки мол кислород имаме два мола водород. Уверявам се, че уравнението е изравнено. Произвеждат се два мола H2O и много енергия. Взривът ще бъде огромен. Можем да говорим за Хинденбург, но изписах всичко това, защото искам да ти покажа какво се окислява и какво се редуцира. Тук молекулата на водорода изглежда по този начин. Имаме връзка между два атома водород. И двата атома си споделят електрон, за да може орбитата им 1s да бъде пълна. Те не губят електрони. Не си ги привличат един-друг. Следователно имат нулева степен на окисление. Не са отдали или приели електрони. Само си ги споделят. Същото важи и за молекулата кислород. Тук имаме двойна връзка между двата атома кислород. Тъй като и двата атома са кислород, няма защо да отдават или приемат електрони. От тази страна на уравнението обаче се случва нещо интересно. Всеки атом кислород е свързан с два атома водород. Кислородът привлича електроните на двата атома водород. Водородът има един електрон във валентния си слой. При ковалентните връзки единият атом отдава електрон и другият атом отдава електрон и така се допълват. Както вече знаеш, надявам се, кислородът е по-силно електроотрицателен от водорода. Това тук е глюкоза, останала от видеоклипа ни за клетъчното дишане. Не ѝ обръщай внимание засега, но в друг клип ще видим връзката между тях. Ако погледнем периодичната система от плейлиста от раздел химия, електроотрицателността се увеличава в посока нагоре и надясно. Тук са най-електроотрицателните елементи, а тук – най-малко електроотрицателните. Електроотрицателен означава, че обича да привлича електрони. Въпреки че във водата кислородът и водородът са в ковалентна връзка – споделят електрони, кислородът е много по-електроотрицателен от водорода и ще привлече електроните. Ако вземем някой от тези елементи и го свържем с някой от тези вляво, тези вдясно са толкова по-електроотрицателни от тези вляво, че ще откраднат всички електрони, а няма само да ги привлекат. Електроотрицателен означава, че обича електрони. Ако разгледаме връзката между водород и кислород, от системата виждаме, че кислородът е много по-електроотрицателен. Електроните прекарват повече време при кислорода. За водородните връзки научихме, че създават частично отрицателен заряд в тази част от водната молекула и частично положителен заряд от тази страна. От време на време около водородните атоми се показват електрони. При окислението или редукцията няма частичен заряд. Ако някой атом привлича повече даден електрон, заради степента на окисление ще предположим, че той е взел този електрон. За степента на окисление ще предположим, че кислородът във водата взима електрона и ще му дадем степен на окисление 1–. Прието е зарядът да се изписва след степента на окисление, за да не го бъркаме със самия заряд. Степента на окисление е 1–, защото взима един електрон. Приема един електрон. Затова го бях изписал в кавички. Защото електронът всъщност не се приема. В повечето случаи се приема. Електроните се привличат. Тук се обърках. Кислородът получи един електрон от този атом водород и още един електрон от този атом водород. Вместо 1–, трябва да е 2–. Трябва да бъде 2–, защото кислородът привлича по един електрон от двата атома водород. Обикновено, когато кислороден атом се свързва с некислородни атоми или елементи, има степен на окисление 2–. Този атом е 2–, защото е приел два електрона. Ще го напиша в кавички. Приел е два електрона. Знаем, че не ги приема наистина, а само ги привлича. Тези два атома загубиха по един електрон. Степента на окисление на този атом ще бъде 1+, както и на този атом. Виждаме, че чрез изгарянето на водород с кислород, водородните атоми имаха нулева степен на окисление, а сега тя е 1+, защото те загубиха по един електрон при връзката си с кислорода. Казваме, че тези атоми водород са окислени. Заради тази реакция водородът се е окислил. Но защо? Защото преди можеше да споделя електроните си без проблем, но след това се е свързал с кислорода, който му привлича електроните. Кислородът отнема електроните на водорода и така водородът се окислява. Подобно, заради горивната реакция кислородът е бил редуциран. Защо се е случило? Тук кислородът просто споделя електрони. Не отделя и не приема електрони. Но когато е свързан с елемент с по-ниска електроотрицателност, вече може да привлича електроните или да ги приема. Този хипотетичен заряд е редуциран с две. Ако искаме да разгледаме всички електрони, които са изгубени и приети, можем да напишем две полуреакции. Това всичко е преговор от часовете по химия. Нищо не ни пречи да го видим отново. Ще го опиша в плейлиста за раздел биология, за да може биолозите да си го припомнят. Ще изпиша две полуреакции. Започваме с два мола молекулярен водород. Те имат нулева степен на окисление. Ако искам, мога да напиша 0. Накрая получавам два мола H2. Всеки водороден атом сега има степен на окисление 1+. Може да се разгледа и по друг начин. Имаме четири атома водород. Имаме две водородни молекули с по два атома. Общо имаме 4 атома водород. Всеки един от тях губи по един електрон. Ще го изпиша така: + 4 e–. Това е полуреакцията за водорода. Загубил е четири електрона. Може да кажеш, че водородът е окислен, защото е отдал електрони. ООЕ – окислението е отделяне на електрони. А сега, другата полуреакция за кислорода. Започваме с един мол кислород и добавяме четири електрона. Те не се появяват от нищото. Взимаме ги от водорода и ги даваме на кислорода. В този край на полуреакцията получаваме два мола кислород. Всеки от тях има степен на окисление 2–. Това са полуреакциите. Всичко това показва, че по време на горивната реакция водородът губи електрони, а кислородът ги е получил. Така виждаме, че кислородът е бил редуциран. Всичко това е ясно и логично и е преговор на наученото в часовете по химия. Сега ще те пообъркам. Ще ти представя окислението и редукцията от гледна точка на биолозите. Понякога биолозите използват дефинициите от химична гледна точка. Много често се обърквах, защото в много учебници по биология пише, че окислението е отдаване на водородни атоми, а редукцията – приемане на водородни атоми. Когато за пръв път чух това, знаех от часовете по химия, че става въпрос за електрони. Водородните атоми имат един протон и електрон, така че каква е връзката? Стигнахме до смисъла на този клип – тези две дефиниции са съвместими една с друга, защото в биологията обикновено се отдава или приема водород. А той често се свързва с въглерод, кислород, фосфор, азот. Ако в периодичната система видим къде се намират водородът, въглеродът, азотът, кислородът и фосфорът, ще видим, че в биологичните системи водородът обикновено се свързва с елементи, които са много по-електроотрицателни. Ако въглерод се свърже с водород, той ще привлече този електрон. След това, ако този водород се пренесе при кислород заедно с електрона си, въглеродът ще загуби водородния атом, но всъщност губи електрона, който преди е привличал. Сега кислородът ще привлече електрона. Следователно тези дефиниции са съвместими. Исках да ти дам този пример, защото биологичната дефиниция не може да се приложи тук. В тази реакция определено можеш да кажеш, че кислородът приема водород. Все още можем да кажем, че кислородът се редуцира според биологичната дефиниция. Но не можем да кажем, че тук водородът отдава водород. Тук той просто отдава електрони. Не отдава себе си. Можем да кажем, че водородът се губи, защото е отнет. Биологичната дефиниция изхожда от същата идея – когато водородът се свърже с елемент в биологичните вещества, обикновено отдава електроните си. Ако кислородът вземе водорода от въглерода, въглеродът ще загуби електрона, който е привличал. И сега кислородът го привлича. Така въглеродът се окислява, а кислородът се редуцира. Дано това не те обърква. В следващия клип ще ти дам повече примери. Обяснявам ти това, за да го приложим при клетъчното дишане, за да не се объркаш, когато казваме, че молекулата НАД се редуцира, когато приема водород или се окислява, когато отдаде водород и т.н. Исках да видиш, че дефинициите са същите като тези, научени в час по химия.