В тази статия ще разгледаме феномена на окисление. Това е многокомпонентна концепция, която се появява в различни области на науката, като биология и химия. Ще се запознаем и с разнообразието на този процес и неговата същност.
Въведение
От основна и оригинална гледна точка окисляването е процес от химичен характер, който се съпровожда от повишаване на степента на атомно окисление на веществото, което го претърпява. Това явление възниква поради прехвърлянето на електрони от един атом (редуктор и донор) към втория (акцептор и окислител).
Тази терминологична единица е въведена в обращението на химията в началото на 19 век, а акад. В. М. Севергин да създаде обозначение, указващо взаимодействието на веществата с кислорода от атмосферния въздух.
В някои случаи окисляването на дадена молекула се съпровожда от създаване на нестабилност в структурата на веществото и води до разпадането му на молекули с по-голяма стабилност и малки размери. Факт е, че този процес може да се повтори на няколко различни нива на смилане. Тоест, образуваната по-малка частица също можеимат по-висока степен на окисление от атомните частици, които са били оригиналните в същото вещество, но по-големи и по-стабилни.
В химията съществува концепцията за най-ниската и най-високата степен на окисление. Това ни позволява да класифицираме атомите според способността им да проявяват това свойство. Най-високата степен на окисление съответства на номера на групата, в която се намира елементът. Най-ниската степен, като правило, се определя от съответствието на четно и нечетно число: най-високото 8=най-ниското 2, най-високото 7=най-ниското 1.
Изгаряне
Изгарянето е процес на окисление. В атмосферния въздух (както и в среда с чист кислород) те могат да се окисляват под формата на изгаряне. Като пример могат да служат различни вещества: най-простите елементи на вещества от метали и неметали, неорганични и органични съединения. Най-практически значимо обаче е горивото вещество (гориво), сред което са природните запаси от нефт, газове, въглища, торф и др. Най-често те се образуват от сложна смес от въглеводороди с малък процент кислород, сяра, азотсъдържащи органични съединения, както и следи от включвания на други елементи.
Биологично окисление
В биологията реакциите на окисление са процеси, които заедно се доближават до промяна в степента на окисление на атомите, участващи в реакцията, и това се случва поради електронното разпределение между взаимодействащите компоненти.
Първото предположение е, че във всички живи организми най-сложният хим. реакция, беше предложена през осемнадесетивек. Френският химик А. Лавоазие изучава проблема. Той обърна внимание на факта, че ходът на горене и окисляване в биологията са сходни един с друг.
Учените са направили изследване на пътя на кислорода, който се усвоява от живо същество поради дишането. Те съобщават, че тези процеси на окисление са подобни процеси, протичащи с различни скорости. Той обърна внимание на процеса на разлагане, който, както се оказа, се основава на явлението взаимодействие на кислородна молекула (окислител) с органично вещество, което включва въглеродни и/или водородни атоми. В резултат на разлагането настъпва абсолютна трансформация на материята.
Имаше моменти от процеса, които учените не можаха да разберат напълно, включително въпроси:
- По каква причина окисляването се извършва при условия на ниска телесна температура, въпреки присъствието му извън тялото, само при висока температура.
- По каква причина реакциите на окисление са явления, които не са придружени от отделяне на пламък, както и огромни изпускания на освободена енергия.
- Как е "изгарянето" на хранителния набор от вещества в тялото, ако той е 80% (приблизително) съставен от течност - вода H2O.
Видове биологично окисление
Според условията на средата, в която протича окисление, се разделя на два вида. Повечето гъби и микроорганизми получават енергийни ресурси чрез преобразуване на хранителни вещества чрез анаеробен процес. Тази реакцияпротича без достъп до молекулен кислород и се нарича още гликолиза.
По-сложен начин за преобразуване на хранителните вещества е аеробната форма на биологично окисление или тъканно дишане. Липсата на кислород кара клетките да не се окисляват за енергия и те умират.
Получаване на енергия от жив организъм
В биологията окисляването е многокомпонентно явление:
- Гликолизата е началният етап на хетеротрофните организми, по време на който монозахаридите се разцепват без кислород и предхожда началото на процеса на клетъчно дишане.
- Окисление на пируват - превръщане на пирогроздни киселини в ацетилкоензим. Тези реакции са възможни само с участието на ензимни комплекси пируват дехидрогеназа.
- Процесът на разлагане на бета-мастните киселини е явление, осъществявано успоредно с окисляването на пирувата, чиято цел е преработването на всяка мастна киселина в ацетилкоензим. Освен това това вещество се доставя в цикъла на трикарбоксилната киселина.
- Цикъл на Кребс - превръщането на ацетилкоензима в лимонена киселина и по-нататъшно излагане на последваща трансформация (феномени на дехидрогениране, декарбоксилиране и регенериране).
- Окислителното фосфорилиране е последната стъпка в трансформацията, при която еукариотен организъм превръща аденозин дифосфат в аденозинтрифосфорна киселина.
От това следва, че окисляването е процес, включващ:
- феноменотстраняване на водорода от субстрата, който претърпява окисление (дехидрогениране);
- феномен на откат на субстрата;
- феноменът на добавяне на кислородна молекула към субстрат.
Реакция срещу метали
Окислението на метал е реакция, по време на която чрез взаимодействието на елемент от групата на металите и O2 се образуват оксиди (оксиди).
В широк смисъл, реакция, при която атомът губи електрон и създава различни съединения, например вещества от хлориди, сулфиди и др. В естествено състояние най-често металите могат да бъдат само в напълно окислени състояние (под формата на руда). Поради тази причина процесът на окисление се представя като редукционна реакция на различни компоненти на съединението. Практически използваните вещества от метали и техните сплави, когато взаимодействат с околната среда, постепенно се окисляват - претърпяват корозия. Процесите на окисление на металите се случват поради термодинамични и кинетични фактори.
Валентност и окисление
Състоянието на окисление е валентността. Между тях обаче има известна разлика. Факт е, че валентността на хим. елемент човек определя способността на атома да установява определен брой химични връзки с други видове атоми. Това се дължи на наличието на различни видове атоми, съответно на различна способност за създаване на връзка. Валентността обаче може да бъде само в ковалентно съединение и се образува поради създаването на обща електронна двойка между атомите. Степенокислението, за разлика от валентността, е степента на условен заряд, който притежава един атом на веществото. Може да бъде положителен "+", нула "0" и отрицателен "-". Също така степента на окисление предполага, че всички връзки в веществото са йонни.
Реакция над вода
Преди повече от два милиарда години растителните организми направиха една от най-важните стъпки към началото на еволюцията. Процесът на фотосинтеза започва да се оформя. Първоначално обаче на фотоокисляване са били подложени само редуцирани вещества от типа на сероводород, които са присъствали на земята в изключително малки размери. Окислението на водата е процес, който въвежда значително количество молекулен кислород в атмосферата. Това позволи на биоенергийните процеси да преминат на ново аеробно ниво. Същият феномен позволи образуването на озонов щит, който защитава живота на Земята.
