У цьому відео
ми розглянемо те, що
вже знайоме із курсу хімії про окиснення та
протилежний йому процес - відновлення.
Подивимось, як те, що вивчалося на уроках хімії,
стосується того, що говорять біологи та біохіміки
на ту саму тему.
Сподіваємось, що все співпаде.
Отож, пригадаємо відеоуроки з хімії, якщо ви їх
дивилися. Що ж таке окиснення?
Є відомий трюк-підказка для цього.
ОБМИТИ ВОДОЮ. О - окиснення -
"втрата". Беру це слово в лапки, адже не обов'язково
електрон втрачається; поясню, що я маю на увазі -
"втрата" електрону.
Це ви мали б пам'ятати
з курсу хімії.
А про відновлення ви мали б уже знати, що це "приєднання" електрону.
Це теж беру в лапки.
"Приєднання" електрону
В лапках тому, що ми не обов'язково
отримаємо електрон.
Ми його, скоріше, утримуватимемо.
Реакція називається відновленням тому, що
якщо отримати електрон, то номінальний заряд
понижується.
А окиснення отримало свою назву через те,
що під час реакції ми уступаємо свої електрони кисню.
Хоча це не обов'язково має бути кисень.
Це може бути будь-яка молекула, яка відбере
у вас електрон.
Я думаю, хороший приклад посприяє
кращому розумінню.
Скажімо, у нас є молекулярний водень
у газоподібному стані, і нам треба спалити його за
участю молекулярного кисню.
Таке відбувалося на Гінденбургу.
Аеростат наповнювали воднем, добували невеличку іскру
і під дією кисню
отримували великий вибух.
У нашому випадку для кожного моля молекулярного кисню,
якщо ми маємо два молі молекулярного водню -
переконаємось, що наша рівність збалансована -
отримаємо два молі Н2О плюс величезну кількість тепла.
Ця суміш добряче вибухає. Отож, плюс багато тепла.
Ми, звичайно, могли б ще
поговорити про Гінденбург, але я це взяв до уваги
просто для того, щоб показати, ЩО піддається окисненню,
а ЩО відновленню.
Повернемось до нашого водню. Ось він у нас.
Молекулярний водень виглядає от так.
Тут є зв'язок водень-водень.
Кожен з них ділить електрон одне з одним,
тож можна вважати, що в кожного із них 1s орбіталь
цілком заповнена.
Тож, вони не уступають електрони одне одному
і не відбирають електрони одне в одного.
Відповідно, можна сказати, що у них нульовий ступінь окиснення.
Вони не отримували і не втрачали електрони.
Вони ними поділилися.
Те саме справедливо для молекулярного кисню.
Правда, тут у нас є подвійний зв'язок
між двома атомами кисню.
Але, оскільки обидва атоми є атомами кисню, то вони
не будуть ні отримувати, ні уступати електрони одне одному.
Але з цього боку рівняння спостерігаємо
дещо цікаве.
Кожен атом кисню з'єднаний із двома атомами водню.
Тут атом кисню утримує електрони
кожного із цих атомів водню.
Єдиний електрон водню знаходиться на валентній оболонці.
Суть ковалентного зв'язку: я даю тобі електрон,
а ти мені і у нас обох тепер
по парі електронів.
Але нам відомо (давайте пригадаємо), що кисень
набагато більш електронегативний, ніж водень.
Тут у нас трошки глюкози залишилося
з відео про клітинне дихання.
Тож не звертайте на неї уваги. Про неї піде мова аж у
наступному відео.
Погляньмо на періодичну таблицю. Ми пам'ятаємо із відео
з хімії, що електронегативність зростає
в напрямку вгору праворуч в таблиці.
Тож тут у нас найбільш електронегативні елементи,
а тут - найменш електронегативні.
Електронегативність означає схильність захоплювати електрони.
Отож, хоча кисень і водень знаходяться
у ковалентному зв'язку - вони ділять електрони - кисень
значно більш електронегативний, ніж
водень, тому він захоплюватиме електрони.
Так що, якщо елементи із цієї частини
з'єднати із елементами звідси, а ці елементи набагато більш електронегативні,
ніж ті, що ліворуч, що
вони будуть, прямо-таки, красти електрони,
а не лише утримувати їх.
Але електронегативність означає лише
прихильність елемента до електронів.
Тож, якщо поглянути на наш зв'язок водню і кисню,
то зрозуміло на основі періодичної таблиці, що кисень значно більш
електронегативний, тому електрони значно більше часу
перебувають поряд із киснем.
Ми вже дізналися про зв'язок у водні,
що він створює частковий негативний заряд на
цьому кінці молекули води і
частковий позитивний заряд - на цьому.
Але все одно електрони час від часу з'являються
поряд із воднем.
Коли говорити про окиснення та відновлення,
то часткового заряду тут нема.
Якщо один елемент перетягує до себе електрон
заради ступенів окиснення, ми вважаємо,
що він відібрав електрон.
Тож, щодо ступеню окиснення ми вважаємо, що кисень
у воді забирає електрон і, в результаті,
має ступінь окиснення 1- (один мінус).
Зверніть увагу, заряд пишеться після
числа ступенів окиснення.
Не плутайте із справжнім зарядом.
Отож, маємо один мінус, бо з точки зору
ступенів окиснення електрон було відібрано.
Кисень отримав електрон.
Ось чому беру в лапки.
Адже він його не зовсім отримав.
Він просто більшість часу утримує його біля себе.
Він його перетягує до себе.
Так само цей водень.
Він отримав один електрон від от цього водню, а інший
отримав електрон від цього.
Тож, тут в нас вже не один мінус, а два мінус,
тому що утримується
один електрон тут і один ось тут.
І взагалі, коли кисень має зв'язок із
безкисневими атомами/елементами, він матиме два мінус
або негативний ступінь окиснення 2-.
Два мінус означає, що атом
отримав два електрони.
Запишу це в лапках.
"Отримав два електрони".
Та ми знаємо, що не отримав, а просто
притягнув до себе.
От ці атоми втратили кожен по електрону.
Тож ступінь окиснення цього атому буде один плюс.
І те ж саме для цього атому. Один плюс.
Зрештою, ми можемо сказати, що при спалюванні водню
за присутності кисню, атоми водню, які до цього мали
нульовий ступінь окиснення кожен,
тепер мають ступінь окиснення один плюс,
адже вони втратили свої електрони, коли
з'єдналися із киснем.
Тоді ми говоримо, що ці атоми водню були окиснені.
Отже, згідно з цією реакцією, водень було окиснено.
А чому його окиснено?
Адже раніше він легко
ділився електронами,
але потім він з'єднався з киснем, який захоплює його електрони.
Отже, водень уступає свої електрони кисню,
або окиснюється.
І, відповідно, кисень, згідно із цією реакцією горіння
був відновлений.
Чому він був відновлений?
Тут просто ділилися електронами,
а не втрачали чи приєднували їх.
Але тут, при зв'язку із значно менш електронегативним елементом,
раптом кисень почав
відбирати електрони .
Тож цей гіпотетичний заряд понизився на два.
Якщо б ми хотіли врахувати усі
електрони, адже ми говоримо про втрату
та захоплення електронів, ми могли б записати дві напівреакції.
Це дещо перегукується із
курсом хімії.
Але не страшно. Тож поглянемо.
Це відео буде в розділі біології,
щоб наші біологи пригадали
свої знання із цього питання.
Тож, можемо записати дві напівреакції.
Припустимо, що ми почали із двох молів
молекулярного водню,
який на разі не має ступенів окиснення, або є нейтральним.
Тож, при бажанні можна тут написати нуль.
На виході реакції маємо
два молі Н2.
Але тут вже кожен із атомів водню має ступінь окиснення
плюс один.
Можна сказати по-іншому.
Тут у нас є 4 атоми водню,
бо молекула водню має два атоми, а у нас
два молі речовини.
Отож, чотири атоми водню.
Кожен із чотирьох атомів водню втратив по електрону.
Тож запишемо:
плюс чотири електрони.
Це половинна реакція для водню.
Він втратив чотири електрони.
Так що це - ще один спосіб сказати, що водень
окиснився, бо він втратив електрони.
Окиснення - це втрата.
Інша напівреакція
стосується кисню.
Тож починаємо з одного молю молекулярного кисню і додаємо
до нього чотири електрони.
Але ми не можемо взяти електрони нізвідки.
Електрони ми отримаємо із водню, який
додамо до кисню.
Тож на виході нашої напівреакції маємо
два молі - ось так це запишу - два молі кисню.
І кожен з них має ступінь окиснення два мінус.
Отже, це напівреакція.
Все це нам ілюструє, що водень
в ході реакції горіння втрачає електрони,
і що кисень взяв ті електрони, які втратив водень.
Це свідчить про те, що кисень відновлений.
Отож, тепер все розкладено по поличках. Але, по суті,
ми просто повторили дещо з курсу хімії.
А зараз я вас трошки заплутаю.
Покажу вам, як на ці речі
дивляться біологи.
Отже, хоча не завжди є саме так,
деколи біологи будуть використовувати визначення,
які нам зустрічалися в курсі хімії.
Проте біологи, згідно численних підручників з біології,
сказали б - і це, бувало, збивало мене з пантелику -
що окиснення є втратою атомів водню,
а відновлення - здобуванням атомів водню.
Спершу, коли мені трапилися ці твердження, я був спантеличений,
бо, вивчаючи хімію, йшлося про ЕЛЕКТРОНИ.
А атом водню є протоном та електроном.
То хто ж правий?
Причиною, чому ці два визначення (а це якраз
суть даного відео), тож причиною, чому ці
визначення сумісні із нашими є те,
що у світі біології водень вважається тим, що схильний
до заміщення.
Він прагне поєднуватися із вуглецем, киснем,
фосфором, азотом.
І, якщо звернутися до періодичної таблиці, і зауважити, де тут розміщений водень,
а де вуглець, азот, кисень,
фосфор та інші подібні елементи, можна зробити висновок,
що всі елементи, з якими поєднується водень
у біологічних системах,
є значно більш електронегативними.
Тож, у сполуці вуглецю із воднем, вуглець
перетягує до себе електрон.
І пізніше, коли цей водень перенесуть до кисню
разом із його електроном, то вуглець втратить атом водню,
хоча насправді він втратить електрон,
який перед цим утримував.
І тепер вже кисень може перетягувати цей електрон.
Тож бачимо, що визначення таки сумісні.
Цей приклад я вам показав тому,
що біологічне визначення тут не застосовується.
Тобто, ви могли б сказати, що кисень, цілком точно, отримує
атоми водню у даній реакції.
І ми впевнено можемо стверджувати, що кисень все ж був відновлений
згідно із біологічним визначенням.
Але, з іншого боку, не можна говорити, що тут водень
втрачає свої атоми.
У даній ситуації водень лише втрачає електрони.
Він не втрачає самого себе.
Можна хіба що сказати, що він втрачає
сам себе, бо його заміщують.
Але ідея біологічного визначення
така ж сама.
Коли водень об'єднується із більшістю елементів у біологічні
сполуки, він схильний віддавати електрони.
І, якщо вуглець уступає водень кисневі,
він (вуглець) втрачає електрон водню,
який він утримував,
бо тепер електрон утримує кисень.
Отож, вуглець буде окиснений, а кисень
відновлений.
Сподіваюся, ви розібралися.
У наступному відео розглянемо з вами ще кілька прикладів.
Я це розповідаю для того, щоб ви побачили, яку роль все це
відіграє у клітинному диханні;
для того, аби ви розуміли вислови на кшталт
"НАД відновлюється, коли приєднує водень" або
"Він окиснюється, коли втрачає водень"
і тому подібне.
Також я хотів, щоб ви побачили,
що визначення такі ж самі, як і в хімії.