WEBVTT

00:00:00.050 --> 00:00:01.850
我們這次課的內容

00:00:01.850 --> 00:00:04.520
是複習化學課中所講的

00:00:04.520 --> 00:00:10.040
關於氧化反應和還原反應的知識

00:00:10.040 --> 00:00:13.660
我們會看到 化學課的知識

00:00:13.660 --> 00:00:16.980
與生物學家或者說生化學家使用的術語

00:00:16.980 --> 00:00:17.950
是如何相關的

00:00:17.950 --> 00:00:20.020
最後 我們會看到它們實際上是一樣的

00:00:20.020 --> 00:00:23.300
作爲複習 如果你看了化學的影片課

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

00:00:25.000 --> 00:00:27.030
實際上 有一個著名的助記符號

00:00:27.030 --> 00:00:37.090
它就是OIL和RIG oil意爲氧化反應是失去--

00:00:37.090 --> 00:00:39.920
我把它放在引號內 因爲反應未必會失去電子

00:00:39.920 --> 00:00:43.410
大家馬上就會明白我的意思-- 是失去電子

00:00:43.410 --> 00:00:46.550
這就是你在化學課中學到的

00:00:46.550 --> 00:00:53.970
你也學到了 還原反應是得到

00:00:53.970 --> 00:00:55.590
我也把它放在引號內

00:00:55.590 --> 00:01:00.640
是得到電子

00:01:00.640 --> 00:01:01.470
放進引號內的原因

00:01:01.470 --> 00:01:03.230
是未必會得到電子

00:01:03.230 --> 00:01:04.990
更多情況是占用電子

00:01:04.990 --> 00:01:06.580
它被稱爲還原反應的原因是

00:01:06.580 --> 00:01:11.100
如果得到了電子 如果是真正得到電子

00:01:11.100 --> 00:01:14.000
那麽電荷就減少了

00:01:14.000 --> 00:01:15.940
它被稱爲氧化反應的原因是

00:01:15.940 --> 00:01:19.070
反應物常常是失去電子給氧氣

00:01:19.070 --> 00:01:20.860
當然 不一定必須是氧氣

00:01:20.860 --> 00:01:24.080
可以是任何從反應物得到電子的分子

00:01:24.080 --> 00:01:27.750
我想 爲使說明更加具體

00:01:27.750 --> 00:01:29.860
舉個例子比較好

00:01:29.860 --> 00:01:32.410
這裡有一些氫分子

00:01:32.410 --> 00:01:34.710
是氣態的

00:01:34.710 --> 00:01:39.110
然後 使它和氧分子發生燃燒反應

00:01:39.110 --> 00:01:40.740
這就是1937年在“興登堡號”飛艇上發生的事故

00:01:40.740 --> 00:01:42.590
充滿氫氣的氫氣球

00:01:42.590 --> 00:01:44.060
在遇到火花

00:01:44.060 --> 00:01:46.910
同時暴露在氧氣下時 就會産生爆炸

00:01:46.910 --> 00:01:49.900
在這個過程中 對於每莫耳氧分子

00:01:49.900 --> 00:01:52.880
如果有2莫耳氫分子--

00:01:52.880 --> 00:01:54.700
這個方程式就平衡了

00:01:54.700 --> 00:02:01.090
就會生成2莫耳的水和大量的熱量

00:02:01.090 --> 00:02:02.600
這樣會産生爆炸的

00:02:06.670 --> 00:02:09.310
我的意思是 雖然我們談到了興登堡號

00:02:09.310 --> 00:02:10.450
但是 我寫下這個方程式

00:02:10.450 --> 00:02:13.430
是想展示給你看 什麽被氧化了

00:02:13.430 --> 00:02:15.510
什麽被還原了

00:02:15.510 --> 00:02:18.040
那麽 在這種情況下的氫氣

00:02:18.040 --> 00:02:20.620
氫分子是這樣子的

00:02:20.620 --> 00:02:23.620
有一個氫-氫鍵

00:02:23.620 --> 00:02:25.480
兩個氫原子互相共享對方的一個電子

00:02:25.480 --> 00:02:29.090
這樣兩個原子的1s軌道就飽和了

00:02:29.090 --> 00:02:31.160
它們並不丟失電子

00:02:31.160 --> 00:02:33.510
並不占用對方的電子

00:02:33.510 --> 00:02:35.810
可以說 它們處於中性氧化狀態

00:02:35.810 --> 00:02:37.280
它們並不得到或失去電子

00:02:37.280 --> 00:02:38.370
只是共用一對電子

00:02:38.370 --> 00:02:40.850
氧分子也是一樣

00:02:40.850 --> 00:02:44.000
兩個氧原子之間有一個雙鍵

00:02:44.000 --> 00:02:45.650
它們都是氧原子

00:02:45.650 --> 00:02:48.940
也不會造成一個氧原子得到或失去一個電子

00:02:48.940 --> 00:02:53.300
但是 當到了方程式這一邊的時候

00:02:53.300 --> 00:02:54.510
有趣的事情發生了

00:02:54.510 --> 00:02:58.520
每個氧原子連接著兩個氫原子

00:03:02.000 --> 00:03:03.490
我們考慮的是

00:03:03.490 --> 00:03:07.620
氧占有了兩個氫原子的電子

00:03:07.620 --> 00:03:10.160
氫在它的價殼上有一個電子

00:03:10.160 --> 00:03:12.160
大部分共價鍵的交易是

00:03:12.160 --> 00:03:13.410
嘿 我給你一個電子

00:03:13.410 --> 00:03:15.710
你給我一個電子 我們就形成了完整的一對

00:03:15.710 --> 00:03:18.730
但是 我們知道

00:03:18.730 --> 00:03:23.030
氧比氫具有更強的負電性

00:03:23.030 --> 00:03:24.580
這邊是葡萄糖

00:03:24.580 --> 00:03:29.180
是我們在上次的細胞呼吸影片中用到的

00:03:29.180 --> 00:03:30.160
你可以忽略它

00:03:30.160 --> 00:03:33.040
但是 以後的影片中 我會把它們聯係起來

00:03:33.040 --> 00:03:35.030
我們看一下元素周期表

00:03:35.030 --> 00:03:37.110
如果你還記得化學課的內容

00:03:37.110 --> 00:03:39.560
當向元素周期表的右上方向前進時

00:03:39.560 --> 00:03:42.530
負電性會增加

00:03:42.530 --> 00:03:46.420
這裡是負電性最強的元素

00:03:46.420 --> 00:03:48.780
而這裡是負電性最弱的

00:03:48.780 --> 00:03:51.970
負電性意味著 占有電子的能力

00:03:53.400 --> 00:04:03.640
負電性意味著容易占有電子

00:04:03.640 --> 00:04:08.100
盡管氧和氫以共價鍵形式形成水--

00:04:08.100 --> 00:04:12.390
它們在共用一對電子--氧具有更強的負電性

00:04:12.390 --> 00:04:14.180
比氫更強的負電性

00:04:14.180 --> 00:04:15.890
所以 它就要占用電子了

00:04:15.890 --> 00:04:17.580
實際上 如果拿這邊的元素

00:04:17.580 --> 00:04:19.610
和這邊的元素結合

00:04:19.610 --> 00:04:22.720
這邊的元素比那些左側的

00:04:22.720 --> 00:04:24.010
具有更強的負電性

00:04:24.010 --> 00:04:26.420
它們實際會完全占有電子

00:04:26.420 --> 00:04:28.690
而不只是大部分時間占用電子

00:04:29.010 --> 00:04:33.220
當談論負電性的時候 它意味著不完全地得到電子

00:04:33.220 --> 00:04:36.780
我們看氫和氧之間的共價鍵

00:04:36.780 --> 00:04:40.240
在元素周期表上可以看到 氧的負電性更強

00:04:40.240 --> 00:04:43.990
所以 電子被氧原子占用的時間更長

00:04:43.990 --> 00:04:46.210
我們學過氫鍵

00:04:46.210 --> 00:04:49.750
它在水分子的這邊

00:04:49.750 --> 00:04:51.150
形成了偏移的負電荷

00:04:51.150 --> 00:04:54.750
在這邊形成了偏移的正電荷

00:04:54.750 --> 00:04:57.660
電子偶爾會出現在氫原子附近

00:04:57.660 --> 00:05:01.520
當談論氧化和還原時 你會說 看

00:05:01.520 --> 00:05:02.950
這裡沒有偏移的電荷

00:05:03.010 --> 00:05:06.540
如果一個原子 處於氧化狀態時

00:05:06.540 --> 00:05:09.250
在更多的時間占用電子

00:05:09.250 --> 00:05:12.250
我們就說 它占有了電子

00:05:12.250 --> 00:05:15.720
所以 對於氧化狀態 我們認爲

00:05:15.720 --> 00:05:18.290
水中的氧原子占有了電子

00:05:18.290 --> 00:05:22.550
我們就會給它的氧化態一個負號

00:05:22.550 --> 00:05:24.720
或者 習慣性地

00:05:24.720 --> 00:05:27.010
在氧化態的後面寫出電荷

00:05:27.010 --> 00:05:29.290
這樣 電荷數就很清楚了

00:05:29.290 --> 00:05:31.390
所以這裡記爲1-

00:05:31.390 --> 00:05:34.440
因爲從氧化態的觀點來看 它占有了電子

00:05:34.440 --> 00:05:35.650
它獲得了電子

00:05:35.650 --> 00:05:36.940
這就是爲什麽我在這裡加了引號

00:05:36.940 --> 00:05:38.490
因爲並不是真正得到了電子

00:05:38.490 --> 00:05:40.060
只是大部分時間獲得了電子

00:05:40.060 --> 00:05:42.010
占有了電子

00:05:42.010 --> 00:05:45.850
同樣地 這個氫原子--我認真一點 這不是--

00:05:45.850 --> 00:05:48.000
它從這個氫原子得到一個電子

00:05:48.000 --> 00:05:49.930
從這個氫原子得到另一個電子

00:05:49.930 --> 00:05:52.340
所以 不是一1- 應該是2-

00:05:52.340 --> 00:05:56.680
應該是2- 因爲它從這裡占有一個

00:05:56.680 --> 00:05:58.160
從這裡占有一個

00:05:58.160 --> 00:06:03.060
一般情況下 當氧和非氧的原子或元素

00:06:03.060 --> 00:06:04.440
結合時

00:06:04.440 --> 00:06:10.060
它常常記爲2- 或者說處於-2價氧化狀態

00:06:10.060 --> 00:06:14.480
氧呈現-2價狀態 因爲它得到了兩個電子

00:06:14.480 --> 00:06:19.130
我寫在引號裏 得到兩個電子

00:06:19.130 --> 00:06:21.810
我們知道 並不是真正得到 只是占用

00:06:21.810 --> 00:06:24.680
兩個氫各失去一個電子

00:06:24.680 --> 00:06:28.020
所以 這個氫的氧化狀態是+1價

00:06:28.020 --> 00:06:32.740
這個氫的氧化狀態也是+1價

00:06:32.740 --> 00:06:36.860
可以說 通過氫在氧氣中的燃燒

00:06:36.860 --> 00:06:40.840
氫原子--在它們零氧狀態之前

00:06:40.840 --> 00:06:43.220
這些氫原子都有零氧狀態

00:06:43.220 --> 00:06:45.330
現在有了+1價的氧化狀態

00:06:45.330 --> 00:06:48.060
因爲它們在和氧結合的過程中 失去了電子

00:06:48.060 --> 00:06:52.350
所以 我們說氫被氧化了

00:06:56.750 --> 00:07:05.020
通過這個反應 氫氣被氧化了

00:07:05.020 --> 00:07:06.810
爲什麽它被氧化了呢？

00:07:06.810 --> 00:07:10.020
因爲起初 原子間能夠穩定地共用一對電子

00:07:10.020 --> 00:07:13.020
然後 它和氧氣結合 氧氣占用了它的電子

00:07:13.020 --> 00:07:18.030
所以 氫氣把電子給了氧氣 它就被氧化了

00:07:18.030 --> 00:07:31.000
類似地 通過燃燒反應 氧氣被還原了

00:07:31.000 --> 00:07:32.010
爲什麽它被還原了呢？

00:07:32.010 --> 00:07:35.230
這裡 它只是共用電子對 並沒有電子的得失

00:07:35.230 --> 00:07:38.990
當它和一種低負電性的

00:07:38.990 --> 00:07:40.790
原子結合時

00:07:40.790 --> 00:07:44.610
它就占有了氫原子的電子

00:07:44.610 --> 00:07:47.810
這裡的電荷就減少了2個

00:07:50.540 --> 00:07:53.660
我想對所有的電子都做出說明

00:07:53.660 --> 00:07:55.460
因爲我們在討論電子的得與失

00:07:55.460 --> 00:07:58.270
我們可以寫出兩個反應

00:07:58.270 --> 00:08:01.000
這些是對化學課的一些複習

00:08:01.000 --> 00:08:02.680
複習一遍還是有好處的

00:08:02.680 --> 00:08:04.360
下面我將把這些知識用在生物學中

00:08:04.360 --> 00:08:07.430
這樣你們可以

00:08:07.430 --> 00:08:10.000
重新形成這些知識結構

00:08:10.000 --> 00:08:11.550
我們可以寫出兩個反應

00:08:11.550 --> 00:08:17.010
我們從2莫耳的氫分子開始

00:08:17.010 --> 00:08:21.000
它們不是氧化態的 或者說它們是中性的

00:08:21.000 --> 00:08:23.000
我在這寫下一個0

00:08:23.000 --> 00:08:25.290
然後 在方程式另一邊

00:08:25.290 --> 00:08:29.330
以2莫耳的H2結束

00:08:29.330 --> 00:08:35.320
現在每個氫原子都是+1價的氧化態

00:08:39.010 --> 00:08:41.500
或者 從另一方面考慮 每個氫原子--

00:08:41.500 --> 00:08:42.920
這裡有四個氫原子

00:08:42.920 --> 00:08:45.000
這是有兩個氫原子的氫分子

00:08:45.000 --> 00:08:46.110
這裡有2莫耳的氫分子

00:08:46.110 --> 00:08:47.550
所以 共有4個氫原子

00:08:47.550 --> 00:08:50.340
4個氫原子各自失去一個電子

00:08:50.340 --> 00:08:54.050
我們可以這樣寫 加上4個電子

00:08:54.050 --> 00:08:58.470
這是反應的一半 即氫氣的反應 它失去4個電子

00:08:58.470 --> 00:09:03.730
這種方式也說明了氫被氧化

00:09:03.730 --> 00:09:09.000
因爲它失去了電子

00:09:09.000 --> 00:09:11.020
OIL:氧化反應是失去電子

00:09:11.020 --> 00:09:16.770
另一半反應就是氧氣的反應

00:09:16.770 --> 00:09:20.640
左邊是1莫耳的氧氣

00:09:20.640 --> 00:09:24.050
加上4個電子

00:09:24.050 --> 00:09:26.000
電子不是憑空而來的

00:09:26.000 --> 00:09:29.220
是從氫中得到的 它要加到氧分子中去

00:09:29.220 --> 00:09:35.970
這一半反應的右邊 以2莫耳--

00:09:35.970 --> 00:09:38.920
我這樣寫--2莫耳氧

00:09:38.920 --> 00:09:43.870
每莫耳氧都是-2價的氧化態

00:09:43.870 --> 00:09:45.060
這就是另一半反應

00:09:45.060 --> 00:09:47.450
這些都表明 在燃燒的過程中

00:09:47.450 --> 00:09:50.420
氫失去了電子

00:09:50.420 --> 00:09:55.160
氧得到了氫失去的電子

00:09:55.160 --> 00:10:01.940
這告訴我們 氧氣被還原了

00:10:01.940 --> 00:10:03.930
這就對了

00:10:03.930 --> 00:10:07.600
這些是對化學課知識的複習

00:10:07.600 --> 00:10:09.660
接下來 會更加令人困惑

00:10:09.660 --> 00:10:12.570
我將介紹生物學家是如何考慮這個反應的

00:10:12.570 --> 00:10:14.490
那麽-- 當然不總是這樣

00:10:14.490 --> 00:10:16.220
有時候 生物學家會用到

00:10:16.220 --> 00:10:17.820
你在化學課中學到的定義

00:10:17.820 --> 00:10:22.140
但是生物學家--或者許多生物課本--會說--

00:10:22.140 --> 00:10:24.920
這曾經也令我非常困惑--

00:10:24.920 --> 00:10:34.360
氧化過程是失去氫原子的過程

00:10:38.070 --> 00:10:51.890
還原過程是得到氫原子的過程

00:10:51.890 --> 00:10:54.690
開始我接觸這個定義的時候 我想

00:10:54.690 --> 00:10:57.330
好像化學課上學到過 但那時討論的是電子

00:10:57.330 --> 00:11:01.010
氫原子由一個質子和一個電子組成 這有什麽關係嗎？

00:11:01.010 --> 00:11:03.070
爲什麽這兩種定義--

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這實際上是這個影片的全部要點

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爲什麽這兩種定義是一致的

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因爲 在生物世界中

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氫常常和周邊物質發生反應

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常常和碳 氧 磷 氮等原子結合

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我們看元素周期表 看到氫的位置

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碳 氮 氧 磷的位置

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實際上 所有其他物質

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你看到的生物係統中的物質

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氫結合的元素通常是

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負電性較強的

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所以 如果一個碳和一個氫結合

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這個碳就占有了那個電子

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如果那個氫和電子轉移給一個氧分子

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碳就會失去氫原子

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實際上 它失去的是原來占有的電子

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那麽 現在氧就占有了那個電子

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所以 兩種定義是完全一致的

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我給你們舉這個例子的原因是

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生物學中的定義在這裡並不適用

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你可能會說

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嗯 這個反應中氧得到了氫

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那麽 根據生物學中的定義

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我們可以說 氧被還原了

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但是 不能說氫失去了氫原子

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這種情況下 只是氫失去了電子

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它並沒有失去它本身

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你們可能說 因爲它被吸收了 所以失去了它本身

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但是 生物學中的定義不是這樣來的

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當氫和生物體內的化合物結合時

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常常提供電子

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所以 如果碳失去氫 並把它給氧時

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碳失去的是它占用的氫的一個電子

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而這個電子被氧占用了

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所以 碳被氧化 氧被還原

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希望你能夠明白

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在下一個影片中 我會舉更多例子

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這樣做的原因是

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爲了把這些知識應用到細胞呼吸中去

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這樣 有人說NAD得到氫是被還原了

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或者 失去氫就是被氧化了

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或者 等等

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你不會感到疑惑

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我想讓你知道

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這些定義和你在化學課上學到的是一樣的