Okiem biologa: Utlenianie i redukcja

W tym filmiku chciałem powtórzyć to, o czym

uczymy się w szkole na chemii o utlenianiu

oraz o jego przeciwieństwie, czyli redukcji.

Zobaczymy, w jaki sposób wiedza z chemii

łączy się z tym, jak biolodzy i biochemicy

rozumieją procesy utleniania i redukcji.

Mam nadzieję, że zorientujemy się, że wszystkim chodzi o to samo.

Na początek krótka powtórka z filmików chemicznych.

Utlenianie można uznać -- po angielsku jest na to

znany trik mnemotechniczny.

OIL RIG (dosł. platforma wiertnicza). OIL mówi nam,

że utlenianie to utrata -- zapiszę w cudzysłowie, bo nie zawsze

chodzi dosłownie o utratę elektronów, pokażę Wam, co mam na myśli --

OIL oznacza utratę elektronów (Oxidation Is Loosing electrons).

Tego powinniście się nauczyć

na lekcjach chemii.

Nauczyliście się tam pewnie również, że redukcja to zyskiwanie elektronów.

To też zapiszę w cudzysłowie.

Redukcja to zyskiwanie elektronów (Reduction Is Gaining electrons).

Zapiszę to w cudzysłowie, bo nie zawsze

będzie to rzeczywiście pozyskiwanie elektronów.

Chodzi raczej o przywłaszczanie sobie elektronów.

A nazywamy to redukcją, ponieważ, gdy zyskujesz elektrony,

Twój ładunek elektryczny, jeśli rzeczywiście

je zyskujesz, obniża się.

O utlenianiu mówimy dlatego, że

zwykle tracisz elektrony na rzecz tlenu.

Chociaż, to nie musi być koniecznie tlen.

To może być jakakolwiek cząsteczka, która

przywłaszczy sobie Twoje elektrony.

Myślę, że pora na jakiś dobry przykład,

który pozwoli nam to sprecyzować.

Powiedzmy, że mam trochę wodoru,

w stanie gazowym i spalam go

przy udziale tlenu cząsteczkowego.

To właśnie przydarzyło się sterowcowi Hindenburg.

Sterowiec był wypełniony wodorem, wystarczyła iskra

i dostęp tlenu, żeby podróż zakończyła się

wielkim wybuchem.

W procesie spalania, na każdy mol cząsteczek tlenu

przypadają dwa mole cząsteczek wodoru --

sprawdzam, czy równianie jest zbilansowane --

żebyśmy dostali dwa mole cząsteczek wody oraz masę ciepła.

Ta reakcja jest na prawdę wybuchowa.

I mnóstwo ciepła.

Moglibyśmy sobie gawędzić o Hindenburgu,

ale ten filmik przygotowałem po to,

żeby pokazać Wam, co to znaczy zostać utlenionym,

a co - zostać zredukowanym.

Pokażę Wam to na wodorze w tym równaniu.

Wodór cząsteczkowy wygląda tak.

Mamy tu wiązanie między atomami wodoru.

Każdy z atomów dzieli swój jedyny elektron z drugim atomem,

więc oba atomy "udają", że ich pierwszy orbital

jest całkowicie zapełniony (czyli mają na nim uwspólnioną parę elektronów).

Żaden z tych atomów nie traci swojego elektronu na korzyść drugiego atomu.

Nie przywłaszczają sobie elektronów. Uwspólniają je.

Mówimy, że mają zerowy stopień utlenienia.

Nie zyskały żadnych elektronów,

po prostu je dzielą ze sobą.

Analogicznie wygląda sytuacja w cząsteczce tlenu.

Mamy tu wiązanie podwójne

między dwoma atomami tlenu.

Oba atomy są jednakowe, więc nie ma powodu,

żeby któryś z nich zyskiwał lub tracił elektron na rzecz drugiego.

Ale jeżeli przejdziemy do produktów tego równania, zauważymy

coś ciekawego.

Do każdego atomu tlenu przyłączone są dwa atomy wodoru.

Dwa atomy wodoru.

A tlen zabiera, przywłaszcza sobie elektrony

każdego z atomów wodoru.

Wodór ma ciągle swój jeden elektron na powłoce walencyjnej.

Wiązanie kowalencyjne w cząsteczce tlenu czy wodoru, polega na tym,

że ja dam Tobie mój elektron, Ty dasz mi swój i oboje będziemy mieć

pełną parę elektronów.

Ale wiemy, że tlen jest

znacznie bardziej elektroujemny niż wodór.

To jest wzór glukozy, który został mi

z filmiku o oddychaniu komórkowym.

Na razie nie jest nam potrzebny, ale połączę oba wątki

w kolejnym filmiku.

Kiedy przyjrzymy się układowi okresowemu, jeśli pamiętacie

ze swoich lekcji chemii, elektroujemność rośnie,

gdy przesuwamy się w kierunku prawego górnego rogu układu.

Te pierwiastki są najsilniej elektroujemne,

a te najsłabiej.

Wysoka elektroujemność oznacza, że pierwiastek będzie chętnie przywłaszczał cudze elektrony.

Elektroujemny - lubi zabierać elektrony.

Pomimo że tlen i wodór są w cząsteczce wody połączone

wiązaniem kowalencyjnym - czyli powinny dzielić się elektronami -

to tlen jest znacznie silniej elektroujemny niż wodór

i przywłaszczy sobie elektrony wodoru.

Jeśli weźmiemy jakieś pierwiastki z tej części układu

i zwiążemy je z pierwiastkami z tej części układu,

to pierwiastki z prawej części są znacznie silniej elektroujemne niż te z lewej.

I te silniej elektroujemne pierwiastki właściwie ukradną elektron tym słabiej elektroujemnym,

nie tylko przywłaszczą go sobie.

Elektroujemność oznacza po prostu

powinowactwo do elektronów.

Spójrzmy na wiązanie tlenu z wodorem,

z układu okresowego wiemy, że tlen

jest znacznie bardziej elektroujemny niż wodór, więc wszystkie elektrony

zostaną ściągnięte na tlen.

Uczyliśmy się wszyscy o wiązaniach wodorowych,

że powstaje cząstkowy ładunek ujemny

po tej stronie cząsteczki wody, a cząstkowy ładunek

dodatni po tej stronie.

Elektrony pojawiają się co jakiś czas

w pobliżu atomów wodoru.

Kiedy mówicie o utlenianiu i redukcji, zauważacie,

że nie ma ładunków cząstkowych.

Jednak jeżeli ten atom trzyma elektron silniej, to ze względu

na stopnie utlenienia, musimy przyjąć,

że zabrał ten elektron.

Uwzględniając stopień utlenienia, przyjmujemy, że

tlen w cząsteczce wody zabiera elektron i przechodzi

na minus pierwszy stopień utlenienia.

Przyjęto, że piszemy ładunek po liczbie

stopni utlenienia,

żeby ich nie pomylić z ładunkiem elektrycznym.

Ten atom tlenu jest na -1 stopniu utlenienia,

bo zabrał elektron.

"Zyskał" elektron.

Dlatego pisałem wcześniej "zyskał" w cudzysłowie.

Bo nie zyskał go w pełni, na stałe.

Zyskał go na większość czasu.

Przywłaszczył sobie elektrony atomów wodoru.

Analogicznie wodór -- muszę się skupić --

atom tlenu zyskał jeden elektron z tego atomu wodoru

i drugi elektron z tego atomu wodoru.

Czyli nie jest na -1, ale na -2 stopniu utlenienia.

Musi być -2, bo ściągnął na siebie jeden

elektron stąd i drugi stąd.

Ogólnie, kiedy atom tlenu wiąże się z innym niż tlen atomem

czy pierwiastkiem, to przechodzi zwykle

na -2 stopień utlenienia.

Ten tlen jest -2, ponieważ

"zyskał" dwa elektrony.

Znów dopiszę cudzysłów.

"Zyskał" dwa elektrony.

Tak na prawdę nie zabrał ich na stałe, przywłaszczył je sobie

na większość czasu.

Oba atomy wodoru straciły swoje elektrony.

Dlatego ich stopień utlenienia będzie dodatni.

Stopień utlenienia atomu wodoru wynosi -1.

Podczas spalania wodoru w tlenie,

atomy wodoru stają się -- były początkowo

na zerowym stopniu utlenienia, każdy z nich miał

stopień utlenienia równy zero -- a teraz mają +1,

bo straciły swoje elektrony, kiedy związały się

z tlenem.

Mówimy, że te atomy wodoru zostały utlenione.

W wyniku tej reakcji wodór został utleniony.

Dlaczego został utleniony?

W cząsteczce wodoru, atomy dzieliły się

swoimi elektronami.

Ale związały się z tlenem, który przywłaszczył sobie ich elektrony.

Wodór traci elektrony na rzecz tlenu,

więc zostaje utleniony.

Tlen, podczas tej reakcji spalania,

uległ redukcji.

Dlaczego został zredukowany?

W cząsteczce tlenu dzielił się elektronami,

nie tracił ich ani nie zyskiwał.

Ale kiedy związał się z pierwiastkiem o znacznie niższej

elektroujemności, zaczął nagle ściągać na siebie dodatkowe

elektrony, zaczął zyskiwać elektrony.

Cząstkowy ładunek tlenu został zmniejszony do -2.

Jeśli chciałbym uwzględnić wszystkie elektrony,

bo mówimy przecież o ich traceniu i zyskiwaniu,

to powinienem napisać dwa połówkowe równania reakcji.

To jest pewnie powtórzenie materiału

z Waszych zajęć chemii w szkole.

Ale powtórki są zawsze pożyteczne.

Dodaję to do filmików biologicznych,

żeby wszyscy fani biologii mogli odświeżyć

sobie ten materiał.

Mażemy zapisać dwie reakcje połówkowe.

Zaczęliśmy od dwóch moli

cząsteczkowego wodoru.

Atomy w cząsteczkach były na zerowym stopniu utlenienia.

Mogę więc zapisać tu zero.

A skończyliśmy -- po drugiej stronie równania -- skończyliśmy

na dwóch molach cząsteczek wodoru,

ale każdy z atomów wodoru jest teraz

na +1 stopniu utlenienia.

Każdy ma +1 stopień utlenienia.

Inaczej mówiąc każdy z tych atomów wodoru --

a mamy ich tutaj cztery.

Każda cząsteczka wodoru złożona jest z dwóch atomów, a mamy tu

dwa mole takich cząsteczek.

Czyli w sumie mamy cztery atomy wodoru.

Każdy z czterech atomów stracił jeden elektron.

Mogę więc dopisać --

plus cztery elektrony.

To równanie połówkowe dla atomów wodoru.

Atomy wodoru tracą w sumie cztery elektrony.

To inny sposób wyrażenia tego, że wodór

uległ utlenieniu, ponieważ stracił cztery elektrony.

Utlenianie to utrata elektronów (OIL - Oxidation Is Loosing).

Drugie równanie połówkowe

jest dla tlenu.

Zaczynam od jednego mola cząsteczkowego tlenu

i dodaję do niego cztery elektrony.

Nie mogę wziąć elektronów znikąd.

Biorę więc elektrony pochodzące z wodoru

i dodaję do tlenu.

A po drugiej stronie równania kończę

z dwoma molami -- mogę to zapisać tak -- z dwoma molami tlenu.

Każdy z nich jest na -2 stopniu utlenienia.

Mamy więc dwa równania połówkowe,

które pokazują, że podczas reakcji spalania, wodór

traci elektrony,

a tlen zyskuje elektrony utracone przez wodór.

Czyli tlen zostaje zredukowany.

To wszystko jest powtórzeniem

tego, czego uczyliście się na chemii w szkole.

Ale teraz trochę to skomplikuję,

bo pokażę Wam, w jaki sposób reakcje utleniania i redukcji

widzi biolog.

Chociaż też nie zawsze.

Czasem biolodzy używają definicji, którą

poznaliście na lekcjach chemii.

Ale wielokrotnie, w wielu podręcznikach biologii

mówi się -- i to właśnie było dla mnie mylące --

że utlenianie to utrata atomów wodoru,

a redukcja to przyłączanie atomów wodoru.

Kiedy pierwszy raz o tym usłyszałem, pomyślałem sobie --

przecież na lekcjach chemii uczyli mnie, że chodzi o elektrony.

Atomy wodoru składają się z protonu i elektronu, więc

gdzie tu jest związek?

Powód, dla którego te dwie definicje -- a jest to

głównym przesłaniem tego filmiku -- powód, dla którego

te definicje są spójne to fakt,

że w układach biologicznych elementem

wymienianym jest właśnie wodór.

Wodór wiąże się z węglem, tlenem,

fosforem i azotem.

Jeśli spojrzymy na układ okresowy i zlokalizujemy

wodór, a potem węgiel, azot, tlen,

fosfor i inne pierwiastki,

do których w układach biologicznych

przyłącza się wodór, okaże się, że są one

znacznie silniej elektroujemne niż wodór.

Wobec tego, jeśli węgiel łączy się z wodorem,

to węgiel przywłaszcza sobie elektron wodoru.

A jeżeli ten wodór zostanie przeniesiony na tlen,

razem ze swoim elektronem, to węgiel straci atom

wodoru, a tym samym elektron,

który sobie przywłaszczył.

Teraz to tlen może sobie przywłaszczyć elektron.

Zatem obie definicje są ze sobą spójne.

Dlaczego pokazałem Wam ten przykład?

Ponieważ definicja biologiczna do niego nie pasuje.

Możemy powiedzieć, że tlen zyskuje

atom wodoru w tej reakcji.

Możemy powiedzieć, że tlen ulega redukcji,

zgodnie z definicją biologiczną.

Ale nie możemy powiedzieć, ze wodór

traci atomy wodoru.

Wodór traci po prostu elektrony.

Nie traci siebie samego.

Może moglibyśmy powiedzieć, że traci samego siebie,

bo zostaje przejęty i przywłaszczony.

Definicja biologiczna oparta jest

na tej samej idei.

Kiedy atom wodoru wiąże się z większością związków

w układach biologicznych, oddaje swój elektron.

Czyli jeżeli węgiel traci atom wodoru i oddaje go

atomowi tlenu, to węgiel traci też elektron atomu wodoru,

który wcześniej sobie przywłaszczył.

Teraz to tlen przywłaszczył sobie ten elektron.

W efekcie węgiel ulega utlenieniu, a tlen

ulega redukcji.

Mam nadzieję, że się w tym nie zagubiliście.

W następnym filmiku pokażę Wam kilka innych przykładów.

Wprowadzam te wszystkie informacje, ponieważ pomogą Wam

zrozumieć oddychanie komórkowe.

Nie dajcie się zmylić, kiedy ktoś mówi, że

NAD ulega redukcji, kiedy przyłącza atom wodoru

albo, że ulega utlenieniu, kiedy traci atom wodoru

i tak dalej.

Chciałem Wam pokazać, że definicja biologiczna jest spójna

z definicją, której uczyliście się na chemii w szkole.