WEBVTT

00:00:00.050 --> 00:00:01.850
我们这次课的内容

00:00:01.850 --> 00:00:04.520
是复习化学课中所讲的

00:00:04.520 --> 00:00:10.040
关于氧化反应和还原反应的知识

00:00:10.040 --> 00:00:13.660
我们会看到 化学课的知识

00:00:13.660 --> 00:00:16.980
与生物学家或者说生化学家使用的术语

00:00:16.980 --> 00:00:17.950
是如何相关的

00:00:17.950 --> 00:00:20.020
最后 我们会看到它们实际上是一样的

00:00:20.020 --> 00:00:23.300
作为复习 如果你看了化学的视频课

00:00:23.300 --> 00:00:25.000
氧化反应 可以看做--

00:00:25.000 --> 00:00:27.030
实际上 有一个著名的助记符号

00:00:27.030 --> 00:00:37.090
它就是OIL和RIG oil意为氧化反应是失去--

00:00:37.090 --> 00:00:39.920
我把它放在引号内 因为反应未必会失去电子

00:00:39.920 --> 00:00:43.410
大家马上就会明白我的意思-- 是失去电子

00:00:43.410 --> 00:00:46.550
这就是你在化学课中学到的

00:00:46.550 --> 00:00:53.970
你也学到了 还原反应是得到

00:00:53.970 --> 00:00:55.590
我也把它放在引号内

00:00:55.590 --> 00:01:00.640
是得到电子

00:01:00.640 --> 00:01:01.470
放进引号内的原因

00:01:01.470 --> 00:01:03.230
是未必会得到电子

00:01:03.230 --> 00:01:04.990
更多情况是占用电子

00:01:04.990 --> 00:01:06.580
它被称为还原反应的原因是

00:01:06.580 --> 00:01:11.100
如果得到了电子 如果是真正得到电子

00:01:11.100 --> 00:01:14.000
那么电荷就减少了

00:01:14.000 --> 00:01:15.940
它被称为氧化反应的原因是

00:01:15.940 --> 00:01:19.070
反应物常常是失去电子给氧气

00:01:19.070 --> 00:01:20.860
当然 不一定必须是氧气

00:01:20.860 --> 00:01:24.080
可以是任何从反应物得到电子的分子

00:01:24.080 --> 00:01:27.750
我想 为使说明更加具体

00:01:27.750 --> 00:01:29.860
举个例子比较好

00:01:29.860 --> 00:01:32.410
这里有一些氢分子

00:01:32.410 --> 00:01:34.710
是气态的

00:01:34.710 --> 00:01:39.110
然后 使它和氧分子发生燃烧反应

00:01:39.110 --> 00:01:40.740
这就是1937年在“兴登堡号”飞艇上发生的事故

00:01:40.740 --> 00:01:42.590
充满氢气的氢气球

00:01:42.590 --> 00:01:44.060
在遇到火花

00:01:44.060 --> 00:01:46.910
同时暴露在氧气下时 就会产生爆炸

00:01:46.910 --> 00:01:49.900
在这个过程中 对于每摩尔氧分子

00:01:49.900 --> 00:01:52.880
如果有2摩尔氢分子--

00:01:52.880 --> 00:01:54.700
这个方程式就平衡了

00:01:54.700 --> 00:02:01.090
就会生成2摩尔的水和大量的热量

00:02:01.090 --> 00:02:02.600
这样会产生爆炸的

00:02:06.670 --> 00:02:09.310
我的意思是 虽然我们谈到了兴登堡号

00:02:09.310 --> 00:02:10.450
但是 我写下这个方程式

00:02:10.450 --> 00:02:13.430
是想展示给你看 什么被氧化了

00:02:13.430 --> 00:02:15.510
什么被还原了

00:02:15.510 --> 00:02:18.040
那么 在这种情况下的氢气

00:02:18.040 --> 00:02:20.620
氢分子是这样子的

00:02:20.620 --> 00:02:23.620
有一个氢-氢键

00:02:23.620 --> 00:02:25.480
两个氢原子互相共享对方的一个电子

00:02:25.480 --> 00:02:29.090
这样两个原子的1s轨道就饱和了

00:02:29.090 --> 00:02:31.160
它们并不丢失电子

00:02:31.160 --> 00:02:33.510
并不占用对方的电子

00:02:33.510 --> 00:02:35.810
可以说 它们处于中性氧化状态

00:02:35.810 --> 00:02:37.280
它们并不得到或失去电子

00:02:37.280 --> 00:02:38.370
只是共用一对电子

00:02:38.370 --> 00:02:40.850
氧分子也是一样

00:02:40.850 --> 00:02:44.000
两个氧原子之间有一个双键

00:02:44.000 --> 00:02:45.650
它们都是氧原子

00:02:45.650 --> 00:02:48.940
也不会造成一个氧原子得到或失去一个电子

00:02:48.940 --> 00:02:53.300
但是 当到了方程式这一边的时候

00:02:53.300 --> 00:02:54.510
有趣的事情发生了

00:02:54.510 --> 00:02:58.520
每个氧原子连接着两个氢原子

00:03:02.000 --> 00:03:03.490
我们考虑的是

00:03:03.490 --> 00:03:07.620
氧占有了两个氢原子的电子

00:03:07.620 --> 00:03:10.160
氢在它的价电子层上有一个电子

00:03:10.160 --> 00:03:12.160
大部分共价键的交易是

00:03:12.160 --> 00:03:13.410
嘿 我给你一个电子

00:03:13.410 --> 00:03:15.710
你给我一个电子 我们就形成了完整的一对

00:03:15.710 --> 00:03:18.730
但是 我们知道

00:03:18.730 --> 00:03:23.030
氧比氢具有更强的负电性

00:03:23.030 --> 00:03:24.580
这边是葡萄糖

00:03:24.580 --> 00:03:29.180
是我们在上次的细胞呼吸视频中用到的

00:03:29.180 --> 00:03:30.160
你可以忽略它

00:03:30.160 --> 00:03:33.040
但是 以后的视频中 我会把它们联系起来

00:03:33.040 --> 00:03:35.030
我们看一下元素周期表

00:03:35.030 --> 00:03:37.110
如果你还记得化学课的内容

00:03:37.110 --> 00:03:39.560
当向元素周期表的右上方向前进时

00:03:39.560 --> 00:03:42.530
负电性会增加

00:03:42.530 --> 00:03:46.420
这里是负电性最强的元素

00:03:46.420 --> 00:03:48.780
而这里是负电性最弱的

00:03:48.780 --> 00:03:51.970
负电性意味着 占有电子的能力

00:03:53.400 --> 00:04:03.640
负电性意味着容易占有电子

00:04:03.640 --> 00:04:08.100
尽管氧和氢以共价键形式形成水--

00:04:08.100 --> 00:04:12.390
它们在共用一对电子--氧具有更强的负电性

00:04:12.390 --> 00:04:14.180
比氢更强的负电性

00:04:14.180 --> 00:04:15.890
所以 它就要占用电子了

00:04:15.890 --> 00:04:17.580
实际上 如果拿这边的元素

00:04:17.580 --> 00:04:19.610
和这边的元素结合

00:04:19.610 --> 00:04:22.720
这边的元素比那些左侧的

00:04:22.720 --> 00:04:24.010
具有更强的负电性

00:04:24.010 --> 00:04:26.420
它们实际会完全占有电子

00:04:26.420 --> 00:04:28.690
而不只是大部分时间占用电子

00:04:29.010 --> 00:04:33.220
当谈论负电性的时候 它意味着不完全地得到电子

00:04:33.220 --> 00:04:36.780
我们看氢和氧之间的共价键

00:04:36.780 --> 00:04:40.240
在元素周期表上可以看到 氧的负电性更强

00:04:40.240 --> 00:04:43.990
所以 电子被氧原子占用的时间更长

00:04:43.990 --> 00:04:46.210
我们学过氢键

00:04:46.210 --> 00:04:49.750
它在水分子的这边

00:04:49.750 --> 00:04:51.150
形成了偏移的负电荷

00:04:51.150 --> 00:04:54.750
在这边形成了偏移的正电荷

00:04:54.750 --> 00:04:57.660
电子偶尔会出现在氢原子附近

00:04:57.660 --> 00:05:01.520
当谈论氧化和还原时 你会说 看

00:05:01.520 --> 00:05:02.950
这里没有偏移的电荷

00:05:03.010 --> 00:05:06.540
如果一个原子 处于氧化状态时

00:05:06.540 --> 00:05:09.250
在更多的时间占用电子

00:05:09.250 --> 00:05:12.250
我们就说 它占有了电子

00:05:12.250 --> 00:05:15.720
所以 对于氧化状态 我们认为

00:05:15.720 --> 00:05:18.290
水中的氧原子占有了电子

00:05:18.290 --> 00:05:22.550
我们就会给它的氧化态一个负号

00:05:22.550 --> 00:05:24.720
或者 习惯性地

00:05:24.720 --> 00:05:27.010
在氧化态的后面写出电荷

00:05:27.010 --> 00:05:29.290
这样 电荷数就很清楚了

00:05:29.290 --> 00:05:31.390
所以这里记为1-

00:05:31.390 --> 00:05:34.440
因为从氧化态的观点来看 它占有了电子

00:05:34.440 --> 00:05:35.650
它获得了电子

00:05:35.650 --> 00:05:36.940
这就是为什么我在这里加了引号

00:05:36.940 --> 00:05:38.490
因为并不是真正得到了电子

00:05:38.490 --> 00:05:40.060
只是大部分时间获得了电子

00:05:40.060 --> 00:05:42.010
占有了电子

00:05:42.010 --> 00:05:45.850
同样地 这个氢原子--我认真一点 这不是--

00:05:45.850 --> 00:05:48.000
它从这个氢原子得到一个电子

00:05:48.000 --> 00:05:49.930
从这个氢原子得到另一个电子

00:05:49.930 --> 00:05:52.340
所以 不是一1- 应该是2-

00:05:52.340 --> 00:05:56.680
应该是2- 因为它从这里占有一个

00:05:56.680 --> 00:05:58.160
从这里占有一个

00:05:58.160 --> 00:06:03.060
一般情况下 当氧和非氧的原子或元素

00:06:03.060 --> 00:06:04.440
结合时

00:06:04.440 --> 00:06:10.060
它常常记为2- 或者说处于-2价氧化状态

00:06:10.060 --> 00:06:14.480
氧呈现-2价状态 因为它得到了两个电子

00:06:14.480 --> 00:06:19.130
我写在引号里 得到两个电子

00:06:19.130 --> 00:06:21.810
我们知道 并不是真正得到 只是占用

00:06:21.810 --> 00:06:24.680
两个氢各失去一个电子

00:06:24.680 --> 00:06:28.020
所以 这个氢的氧化状态是+1价

00:06:28.020 --> 00:06:32.740
这个氢的氧化状态也是+1价

00:06:32.740 --> 00:06:36.860
可以说 通过氢在氧气中的燃烧

00:06:36.860 --> 00:06:40.840
氢原子--在它们零氧状态之前

00:06:40.840 --> 00:06:43.220
这些氢原子都有零氧状态

00:06:43.220 --> 00:06:45.330
现在有了+1价的氧化状态

00:06:45.330 --> 00:06:48.060
因为它们在和氧结合的过程中 失去了电子

00:06:48.060 --> 00:06:52.350
所以 我们说氢被氧化了

00:06:56.750 --> 00:07:05.020
通过这个反应 氢气被氧化了

00:07:05.020 --> 00:07:06.810
为什么它被氧化了呢？

00:07:06.810 --> 00:07:10.020
因为起初 原子间能够稳定地共用一对电子

00:07:10.020 --> 00:07:13.020
然后 它和氧气结合 氧气占用了它的电子

00:07:13.020 --> 00:07:18.030
所以 氢气把电子给了氧气 它就被氧化了

00:07:18.030 --> 00:07:31.000
类似地 通过燃烧反应 氧气被还原了

00:07:31.000 --> 00:07:32.010
为什么它被还原了呢？

00:07:32.010 --> 00:07:35.230
这里 它只是共用电子对 并没有电子的得失

00:07:35.230 --> 00:07:38.990
当它和一种低负电性的

00:07:38.990 --> 00:07:40.790
原子结合时

00:07:40.790 --> 00:07:44.610
它就占有了氢原子的电子

00:07:44.610 --> 00:07:47.810
这里的电荷就减少了2个

00:07:50.540 --> 00:07:53.660
我想对所有的电子都做出说明

00:07:53.660 --> 00:07:55.460
因为我们在讨论电子的得与失

00:07:55.460 --> 00:07:58.270
我们可以写出两个反应

00:07:58.270 --> 00:08:01.000
这些是对化学课的一些复习

00:08:01.000 --> 00:08:02.680
复习一遍还是有好处的

00:08:02.680 --> 00:08:04.360
下面我将把这些知识用在生物学中

00:08:04.360 --> 00:08:07.430
这样你们可以

00:08:07.430 --> 00:08:10.000
重新形成这些知识结构

00:08:10.000 --> 00:08:11.550
我们可以写出两个反应

00:08:11.550 --> 00:08:17.010
我们从2摩尔的氢分子开始

00:08:17.010 --> 00:08:21.000
它们不是氧化态的 或者说它们是中性的

00:08:21.000 --> 00:08:23.000
我在这写下一个0

00:08:23.000 --> 00:08:25.290
然后 在方程式另一边

00:08:25.290 --> 00:08:29.330
以2摩尔的H2结束

00:08:29.330 --> 00:08:35.320
现在每个氢原子都是+1价的氧化态

00:08:39.010 --> 00:08:41.500
或者 从另一方面考虑 每个氢原子--

00:08:41.500 --> 00:08:42.920
这里有四个氢原子

00:08:42.920 --> 00:08:45.000
这是有两个氢原子的氢分子

00:08:45.000 --> 00:08:46.110
这里有2摩尔的氢分子

00:08:46.110 --> 00:08:47.550
所以 共有4个氢原子

00:08:47.550 --> 00:08:50.340
4个氢原子各自失去一个电子

00:08:50.340 --> 00:08:54.050
我们可以这样写 加上4个电子

00:08:54.050 --> 00:08:58.470
这是反应的一半 即氢气的反应 它失去4个电子

00:08:58.470 --> 00:09:03.730
这种方式也说明了氢被氧化

00:09:03.730 --> 00:09:09.000
因为它失去了电子

00:09:09.000 --> 00:09:11.020
OIL:氧化反应是失去电子

00:09:11.020 --> 00:09:16.770
另一半反应就是氧气的反应

00:09:16.770 --> 00:09:20.640
左边是1摩尔的氧气

00:09:20.640 --> 00:09:24.050
加上4个电子

00:09:24.050 --> 00:09:26.000
电子不是凭空而来的

00:09:26.000 --> 00:09:29.220
是从氢中得到的 它要加到氧分子中去

00:09:29.220 --> 00:09:35.970
这一半反应的右边 以2摩尔--

00:09:35.970 --> 00:09:38.920
我这样写--2摩尔氧

00:09:38.920 --> 00:09:43.870
每摩尔氧都是-2价的氧化态

00:09:43.870 --> 00:09:45.060
这就是另一半反应

00:09:45.060 --> 00:09:47.450
这些都表明 在燃烧的过程中

00:09:47.450 --> 00:09:50.420
氢失去了电子

00:09:50.420 --> 00:09:55.160
氧得到了氢失去的电子

00:09:55.160 --> 00:10:01.940
这告诉我们 氧气被还原了

00:10:01.940 --> 00:10:03.930
这就对了

00:10:03.930 --> 00:10:07.600
这些是对化学课知识的复习

00:10:07.600 --> 00:10:09.660
接下来 会更加令人困惑

00:10:09.660 --> 00:10:12.570
我将介绍生物学家是如何考虑这个反应的

00:10:12.570 --> 00:10:14.490
那么-- 当然不总是这样

00:10:14.490 --> 00:10:16.220
有时候 生物学家会用到

00:10:16.220 --> 00:10:17.820
你在化学课中学到的定义

00:10:17.820 --> 00:10:22.140
但是生物学家--或者许多生物课本--会说--

00:10:22.140 --> 00:10:24.920
这曾经也令我非常困惑--

00:10:24.920 --> 00:10:34.360
氧化过程是失去氢原子的过程

00:10:38.070 --> 00:10:51.890
还原过程是得到氢原子的过程

00:10:51.890 --> 00:10:54.690
开始我接触这个定义的时候 我想

00:10:54.690 --> 00:10:57.330
好像化学课上学到过 但那时讨论的是电子

00:10:57.330 --> 00:11:01.010
氢原子由一个质子和一个电子组成 这有什么关系吗？

00:11:01.010 --> 00:11:03.070
为什么这两种定义--

00:11:03.070 --> 00:11:04.770
这实际上是这个视频的全部要点

00:11:04.770 --> 00:11:07.440
为什么这两种定义是一致的

00:11:07.440 --> 00:11:11.060
因为 在生物世界中

00:11:17.590 --> 00:11:22.170
氢常常和周边物质发生反应

00:11:22.170 --> 00:11:30.050
常常和碳 氧 磷 氮等原子结合

00:11:30.050 --> 00:11:36.770
我们看元素周期表 看到氢的位置

00:11:36.770 --> 00:11:41.540
碳 氮 氧 磷的位置

00:11:41.540 --> 00:11:43.740
实际上 所有其他物质

00:11:43.740 --> 00:11:46.040
你看到的生物系统中的物质

00:11:46.040 --> 00:11:51.080
氢结合的元素通常是

00:11:51.080 --> 00:11:52.800
负电性较强的

00:11:52.800 --> 00:11:55.610
所以 如果一个碳和一个氢结合

00:11:55.610 --> 00:11:57.610
这个碳就占有了那个电子

00:11:57.610 --> 00:12:00.430
如果那个氢和电子转移给一个氧分子

00:12:00.430 --> 00:12:04.820
碳就会失去氢原子

00:12:04.820 --> 00:12:07.360
实际上 它失去的是原来占有的电子

00:12:07.360 --> 00:12:09.950
那么 现在氧就占有了那个电子

00:12:09.950 --> 00:12:11.820
所以 两种定义是完全一致的

00:12:11.820 --> 00:12:13.780
我给你们举这个例子的原因是

00:12:13.780 --> 00:12:17.820
生物学中的定义在这里并不适用

00:12:17.820 --> 00:12:19.340
你可能会说

00:12:19.340 --> 00:12:23.640
嗯 这个反应中氧得到了氢

00:12:23.640 --> 00:12:27.000
那么 根据生物学中的定义

00:12:27.000 --> 00:12:29.990
我们可以说 氧被还原了

00:12:29.990 --> 00:12:34.470
但是 不能说氢失去了氢原子

00:12:34.470 --> 00:12:37.980
这种情况下 只是氢失去了电子

00:12:37.980 --> 00:12:39.350
它并没有失去它本身

00:12:39.350 --> 00:12:42.000
你们可能说 因为它被吸收了 所以失去了它本身

00:12:42.000 --> 00:12:44.860
但是 生物学中的定义不是这样来的

00:12:44.860 --> 00:12:49.510
当氢和生物体内的化合物结合时

00:12:49.510 --> 00:12:51.430
常常提供电子

00:12:51.430 --> 00:12:54.380
所以 如果碳失去氢 并把它给氧时

00:12:54.380 --> 00:12:58.170
碳失去的是它占用的氢的一个电子

00:12:58.170 --> 00:12:59.730
而这个电子被氧占用了

00:12:59.730 --> 00:13:04.030
所以 碳被氧化 氧被还原

00:13:04.030 --> 00:13:05.380
希望你能够明白

00:13:05.380 --> 00:13:07.920
在下一个视频中 我会举更多例子

00:13:07.920 --> 00:13:09.250
这样做的原因是

00:13:09.250 --> 00:13:12.040
为了把这些知识应用到细胞呼吸中去

00:13:12.040 --> 00:13:14.560
这样 有人说NAD得到氢是被还原了

00:13:14.560 --> 00:13:20.770
或者 失去氢就是被氧化了

00:13:20.770 --> 00:13:23.200
或者 等等

00:13:23.200 --> 00:13:23.900
你不会感到疑惑

00:13:23.900 --> 00:13:26.000
我想让你知道

00:13:26.000 --> 00:13:28.130
这些定义和你在化学课上学到的是一样的