Общая химия: учебник / А. В. Жолнин; под ред. В. А. Попкова, А. В. Жолнина. - 2012. - 400 с.: ил.
Глава 8. ОКИСЛИТЕЛЬНО-ВОССТАНОВИТЕЛЬНЫЕ РЕАКЦИИ И ПРОЦЕССЫ
Глава 8. ОКИСЛИТЕЛЬНО-ВОССТАНОВИТЕЛЬНЫЕ РЕАКЦИИ И ПРОЦЕССЫ
Жизнь - непрерывная цепь окислительно-восстановительных процессов.
А.-Л. Лавуазье
8.1. БИОЛОГИЧЕСКОЕ ЗНАЧЕНИЕ ОКИСЛИТЕЛЬНО-ВОССТАНОВИТЕЛЬНЫХ ПРОЦЕССОВ
Процессы обмена веществ, дыхания, гниения, брожения, фотосинтеза являются в своей основе окислительно-восстановительными процессами. В случае аэробного метаболизма основным окислителем является молекулярный кислород, а восстановителем - органические вещества продуктов питания. Показателем того, что в основе жизнедеятельности организма лежат окислительно-восстановительные реакции, являются биоэлектрические потенциалы органов и тканей. Биопотенциалы являются качественной и количественной характеристикой направления, глубины и интенсивности протекания биохимических процессов. Поэтому регистрация биопотенциалов органов и тканей широко применяется в клинической практике при изучении их деятельности, в частности при диагностике сердечно-сосудистых заболеваний снимают электрокардиограмму, при измерении биопотенциалов мышц снимают электромиограмму. Регистрация потенциалов мозга - энцефалография - позволяет судить о патологических нарушениях нервной системы. Источником энергии жизнедеятельности клеток служит мембранный потенциал, равный 80 мВ, обусловленный возникновением ионной асимметрии, т.е. неодинаковым распределением по обе стороны мембраны катионов и анионов. Мембранный потенциал имеет ионную природу. В многоядерных комплексах протекают процессы, связанные с переносом электронов и протонов между частицами, которые сопро-
вождаются изменением степени окисления реагирующих частиц и возникновением окислительно-восстановительного потенциала. Окислительно-восстановительный потенциал имеет электронную природу. Эти процессы имеют обратимый циклический характер и лежат в основе многих важных физиологических процессов. Михаэлис отмечал важную роль окислительно-восстановительных процессов в жизни: «Окислительно-восстановительные процессы, происходящие в живых организмах, относятся к разряду тех, которые не только бросаются в глаза и могут быть опознаны, но и являются самыми важными для жизни и с биологической, и с философской точки зрения».
8.2. СУЩНОСТЬ
ОКИСЛИТЕЛЬНО-ВОССТАНОВИТЕЛЬНЫХ ПРОЦЕССОВ
В 1913 году Л.В. Писаржевский выступил с электронной теорией окислительно-восстановительных процессов, которая является в настоящее время общепринятой. Этот тип реакций осуществляется за счет перераспределения электронной плотности между атомами реагирующих веществ (переходом электронов), что проявляется в изменении степени окисления.
Реакции, в результате которых изменяются степени окисления атомов, входящих в состав реагирующих веществ вследствие переноса электрона между ними, называются окислительно-восстановительными реакциями.
Окислительно-восстановительный процесс состоит из 2 элементарных актов или полуреакций: окисления и восстановления.
Окисление - это процесс потери (отдачи) электронов атомом, молекулой или ионом. При окислении степень окисления частиц повышается:
Частица, отдающая электроны, называется восстановителем. Продукт окисления восстановителя называется его окисленной формой:
Восстановитель со своей окисленной формой составляют одну пару окислительно-восстановительной системы (Sn 2 +/Sn 4 +).
Мерой восстановительной способности того или иного элемента является потенциал ионизации. Чем меньше потенциал ионизации элемента, тем более сильным восстановителем он является, s-элементы и элементы в низшей и промежуточной степени окисления - сильные восстановители. Способность частицы отдавать электроны (донорная способность) определяет ее восстановительные свойства.
Восстановление - это процесс присоединения электронов частицей. При восстановлении степень окисления понижается:
Частица (атомы, молекулы или ионы), присоединяющая электроны, называется окислителем. Продукт восстановления окислителя называется его восстановленной формой:
Окислитель со своей восстановленной формой составляет другую пару (Fe 3+ /Fe 2+) окислительно-восстановительной системы. Мерой окислительной способности частиц является сродство к электрону. Чем больше сродство к электрону, т.е. электроноакцепторная способность частицы, тем более сильным окислителем он является. Окисление всегда сопровождается восстановлением, и, наоборот, восстановление связано с окислением.
Рассмотрим взаимодействие FeCl 3 с SnCl 2 . Процесс состоит из двух полуреакций:
Окислительно-восстановительную реакцию можно представить в виде сочетания двух сопряженных пар.
В ходе реакций окислитель превращается в сопряженный восстановитель (продукт восстановления), а восстановитель в сопряженный окислитель (продукт окисления). Их рассматривают как окислительно-восстановительные пары:
Поэтому окислительно-восстановительные реакции представляют единство двух противоположных процессов окисления и восстановления, которые в системах не могут существовать один без другого. В этом мы видим проявление универсального закона единства и борьбы противоположностей. Реакция произойдет, если сродство к электрону окислителя больше, чем потенциал ионизации восстановителя. Для этого введено понятие электроотрицательности - величины, характеризующей способность атомов отдавать или принимать электроны.
Составление уравнений окислительно-восстановительных реакций проводится методом электронного баланса и методом полуреакций. Методу полуреакций необходимо отдать предпочтение. Применение его связано с применением ионов, реально существующих, видна роль среды. При составлении уравнений необходимо выяснить, какие из веществ, вступающих в реакцию, выполняют роль окислителя, а какие - восстановителя, влияние на ход реакции pH среды и каковы возможные продукты реакции. Окислительно-восстановительные свойства проявляют соединения, которые содержат атомы, имеющие большое число валентных электронов, обладающих различной энергией. Такими свойствами обладают соединения d-элементов (IB, VIIB, VIIIB групп) и р-элементов (VIIA, VIA, VA групп). Соединения, которые содержат элемент в высшей степени окисления, проявляют только окислительные свойства (КМnО 4 , H 2 SO 4), в низшей - только восстановительные свойства (H 2 S), в промежуточной - могут вести себя двояко (Na 2 SO 3). После составления уравнений полуреакций, ионного уравнения составляют уравнение реакции в молекулярной форме:
Проверка правильности составления уравнения: число атомов и зарядов левой части уравнения должно быть равно числу атомов и зарядов правой части уравнения для каждого элемента.
8.3. ПОНЯТИЕ ОБ ЭЛЕКТРОДНОМ ПОТЕНЦИАЛЕ. МЕХАНИЗМ ВОЗНИКНОВЕНИЯ ЭЛЕКТРОДНОГО ПОТЕНЦИАЛА. ГАЛЬВАНИЧЕСКИЙ ЭЛЕМЕНТ. УРАВНЕНИЕ НЕРНСТА
Мерой окислительно-восстановительной способности веществ служат окислительно-восстановительные потенциалы. Рассмотрим механизм возникновения потенциала. При погружении химически активного металла (Zn, Al) в раствор его соли, например Zn в раствор ZnSO 4 , происходят дополнительное растворение металла в результате процесса окисления, образование пары, двойного электрического слоя на поверхности металла и возникновение потенциала пары Zn 2 +/Zn°.
Металл, погруженный в раствор своей соли, например цинк в растворе сульфата цинка, называют электродом первого рода. Это двухфазный электрод, который заряжается отрицательно. Потенциал образуется в результате реакции окисления (по первому механизму) (рис. 8.1). При погружении в раствор своей соли малоактивных металлов (Cu) наблюдается противоположный процесс. На границе металла с раствором соли происходит осаждение металла в результате процесса восстановления иона, обладающего высокой акцепторной способностью к электрону, что обусловлено высоким зарядом ядра и малым радиусом иона. Электрод заряжается положительно, в приэлектродном пространстве избыточные анионы соли формируют второй слой, возникает электродный потенциал пары Cu 2 +/Cu°. Потенциал образуется в результате процесса восстановления по второму механизму (рис. 8.2). Механизм, величина и знак электродного потенциала определяются строением атомов участников электродного процесса.
Итак, потенциал возникает на границе раздела металла с раствором в результате окислительного и восстановительного процессов, протекающих с участием металла (электрода) и образованием двойного электрического слоя называют электродным потенциалом.
Если отводить электроны с цинковой пластины на медную, то равновесие на пластинках нарушается. Для этого соединим цинковую и медную пластины, погруженные в растворы их солей, металлическим проводником, приэлектродные растворы - электролитным мостиком (трубка с раствором K 2 SO 4), чтобы замкнуть цепь. На цинковом электроде протекает полуреакция окисления:
а на медном - полуреакция восстановления:
Электрический ток обусловлен суммарной окислительно-восстановительной реакцией:
В цепи появляется электрический ток. Причиной возникновения и протекания электрического тока (ЭДС) в гальваническом элементе является разность электродных потенциалов (Е) - рис. 8.3.
Рис. 8.3. Схема электрической цепи гальванического элемента
Гальванический элемент - это система, в которой химическая энергия окислительно-восстановительного процесса превращается
в электрическую. Химическая цепь гальванического элемента обычно записывается в виде краткой схемы, где слева помещают более отрицательный электрод, указывают пару, образующуюся на этом электроде, вертикальной чертой, показывают скачок потенциала. Две черты обозначают границу между растворами. Заряд электрода указывается в круглых скобках: (-) Zn°|Zn 2 +||Cu 2 +|Cu° (+) - схема химической цепи гальванического элемента.
Окислительно-восстановительные потенциалы пары зависят от природы участников электродного процесса и соотношения равновесных концентраций окисленной и восстановленной форм участников электродного процесса в растворе, температуры раствора и описываются уравнением Нернста. Количественной характеристикой окислительно-восстановительной системы является редокс-потенциал, возникающий на границе раздела фаз платина - водный раствор. Величина потенциала в единицах СИ измеряется в вольтах (В) и рассчитывается по уравнению Нернста-Петерса:
где а(Oх) и a(Red) - активность окисленной и восстановленной форм соответственно; R - универсальная газовая постоянная; Т - термодинамическая температура, К; F - постоянная Фарадея (96 500 Кл/моль); n - число электронов, принимающих участие в элементарном редокс-процессе; а - активность ионов гидроксония; m - стехиометрический коэффициент перед ионом водорода в полуреакции. Величина φ° - стандартный редокс-потенциал, т.е. потенциал, измеренный при условиях а(Oх) = a(Red) = a(H +) = 1 и данной температуре.
Стандартный потенциал системы 2Н + /Н 2 принят равным 0 В. Стандартные потенциалы являются справочными величинами, табулируются при температуре 298К. Сильнокислая среда не характерна для биологических систем, поэтому для характеристики процессов, протекающих в живых системах, чаще используют формальный потенциал, определяемый при условии а(Oх) = a(Red), pH 7,4 и температуре 310К (физиологический уровень). При записи потенциала пара указывается в виде дроби, причем окислитель записывается в числителе, а восстановитель в знаменателе.
Для 25 °С (298К) после подстановки постоянных величин (R = = 8,31 Дж/моль град; F = 96 500 Кл/моль) уравнение Нернста принимает следующий вид:
где φ°- стандартный окислительно-восстановительный потенциал пары, В; с о.фю и с в.ф. - произведение равновесных концентраций окисленной и восстановленной форм соответственно; х и у - стехиометри-ческие коэффициенты в уравнении полуреакций.
Электродный потенциал образуется на поверхности металлической пластины, погруженной в раствор ее соли, и зависит только от концентрации окисленной формы [М n+ ], так как концентрация восстановленной формы не изменяется. Зависимость электродного потенциала от концентрации одноименного с ним иона определяется уравнением:
где [М n+ ] - равновесная концентрация иона металла; n - число электронов, участвующих в полуреакции, и соответствует степени окисления иона металла.
Редокс-системы делят на два типа:
1)в системе осуществляется только перенос электронов Fe 3 + + ē = = Fe 2 +, Sn 2 + - 2ē = Sn 4 +. Это изолированное окислительно-восстановительное равновесие;
2)системы, когда перенос электронов дополняется переносом протонов, т.е. наблюдается совмещенное равновесие разных типов: протолитическое (кислотно-основное) и окислительно-восстановительное с возможной конкуренцией двух частиц протонов и электронов. В биологических системах важные редокс-системы относятся к этому типу.
Примером системы второго типа является процесс утилизации перекиси водорода в организме: Н 2 О 2 + 2Н + + 2ē ↔ 2Н 2 О, а также восстановление в кислой среде многих окислителей, содержащих кислород: CrО 4 2- , Cr 2 О 7 2- , MnО 4 - . Например, MnО 4 - + 8Н + + 5ē = = Mn 2 + + 4Н 2 О. В данной полуреакции участвуют электроны и протоны. Расчет потенциала пары ведут по формуле:
В более широком круге сопряженных пар окисленная и восстановленная формы пары находятся в растворе в различной степени окисления (MnО 4 - /Mn 2 +). В качестве измерительного электрода
в данном случае применяют электрод из инертного материала (Pt). Электрод не является участником электродного процесса и играет роль только переносчика электронов. Потенциал, образующийся за счет окислительно-восстановительного процесса, происходящего в растворе, называют окислительно-восстановительным потенциалом.
Измерение его выполняют на окислительно-восстановительном электроде - это инертный металл, находящийся в растворе, содержащем окисленную и восстановленную формы пары. Например, при измерении Е o пары Fe 3 +/Fe 2 + применяют окислительно-восстановительный электрод - платиновый измерительный электрод. Электрод сравнения - водородный, потенциал пары которого известен.
Реакция, протекающая в гальваническом элементе:
Схема химической цепи: (-)Pt|(H 2 °), H+||Fe 3 +, Fe 2 +|Pt(+).
Окислительно-восстановительный потенциал является мерой окислительно-восстановительной способности веществ. Значение стандартных потенциалов пар указаны в справочных таблицах.
В ряду редокс-потенциалов отмечают следующие закономерности.
1.Если стандартный редокс-потенциал пары отрицателен, например φ°(Zn 2+ (р)/Zn°(т)) = -0,76 В, то по отношению к водородной паре, потенциал которой выше, данная пара выступает в качестве восстановителя. Потенциал образуется по первому механизму (реакции окисления).
2.Если потенциал пары положителен, например φ°(Сu 2 +(р)/ Cu(т)) = +0,345 В по отношению к водородной или другой сопряженной паре, потенциал которой ниже, данная пара является окислителем. Потенциал данной пары образуется по второму механизму (реакции восстановления).
3.Чем выше алгебраическая величина стандартного потенциала пары, тем выше окислительная способность окисленной формы и ниже восстановительная способность восстановленной формы этой
пары. Снижение величины положительного потенциала и возрастание отрицательного соответствует падению окислительной и росту восстановительной активности. Например:
8.4. ВОДОРОДНЫЙ ЭЛЕКТРОД, ИЗМЕРЕНИЕ ОКИСЛИТЕЛЬНО-ВОССТАНОВИТЕЛЬНЫХ ПОТЕНЦИАЛОВ
Окислительно-восстановительный потенциал пары определяется потенциалом двойного электрического слоя, но, к сожалению, нет метода для его измерения. Поэтому определяют не абсолютное, а относительное значение, выбирая какую-либо другую пару для сравнения. Измерение потенциала проводят с помощью потенциометрической установки, в основе которой лежит гальванический элемент, имеющий схему: электрод испытуемой пары (измерительный электрод) соединяют с электродом водородной пары (Н + /Н°) или какой-либо другой, потенциал которой известен (электрод сравнения). Гальванический элемент подсоединяют к усилителю и измерителю электрического тока (рис. 8.4).
Водородная пара образуется на водородном электроде в результате окислительно-восстановительного процесса: 1/2H 2 o (г) ↔ H + (p) + e - . Водородный электрод представляет собой полуэлемент, состоящий
из платиновой пластины, покрытой тонким, рыхлым слоем платины, опущенной в 1 н раствор серной кислоты. Через раствор пропускают водород, в пористом слое платины часть его переходит в атомарное состояние. Все это заключено в стеклянный сосуд (ампулу). Водородный электрод представляет собой трехфазный электрод первого рода (газометаллический). Анализируя уравнение электродного потенциала для водородного электрода, можно сделать вывод, что потенциал водородного электрода линейно увеличивается
Рис. 8.4. Водородный электрод
с уменьшением водородного показателя pH (ростом кислотности) среды и уменьшением парциального давления газообразного водорода над раствором.
8.5. ПРОГНОЗИРОВАНИЕ НАПРАВЛЕНИЯ
ПО ИЗМЕНЕНИЮ СВОБОДНОЙ ЭНЕРГИИ ВЕЩЕСТВ И ПО ВЕЛИЧИНЕ СТАНДАРТНЫХ ОКИСЛИТЕЛЬНО-ВОССТАНОВИТЕЛЬНЫХ ПОТЕНЦИАЛОВ
О направлении окислительно-восстановительной реакции можно судить по изменению изобарно-изотермического потенциала системы (энергии Гиббса), свободной энергии (ΔG) процесса. Реакция принципиально возможна при ΔG o < 0. В окислительно-восстановительной реакции изменение свободной энергии равно электрической работе, совершаемой системой, в результате которой ē переходит от восстановителя к окислителю. Это находит отражение в формуле:
где F - постоянная Фарадея, равная 96,5 кК/моль; n - число электронов, участвующих в окислительно-восстановительном процессе, в расчете на 1 моль вещества; Е o - величина разности стандартных окислительно-восстановительных потенциалов двух сопряженных пар системы, которую называют электродвижущей силой реакций (ЭДС). Данное уравнение отражает физический смысл взаимосвязи Е o и свободной энергии Гиббса реакции.
Для самопроизвольного протекания окислительно-восстановительной реакции необходимо, чтобы разность потенциалов сопряженных пар была величиной положительной, что следует из уравнения, т.е. пара, потенциал которой выше, может выполнять роль окислителя. Реакция идет до тех пор, пока потенциалы обеих пар не станут равными. Следовательно, чтобы ответить на вопрос, будет ли данный восстановитель окисляться данным окислителем или, наоборот, нужно знать ΔE o : ΔE o = φ°окисл. - φ°восстан. Реакция протекает в направлении, которое приводит к образованию более слабого окислителя и более слабого восстановителя. Таким образом, сравнивая потенциалы двух сопряженных пар, можно принципиально решить вопрос направления процесса.
Задача. Можно ли восстановить ион Fe 3+ ионами T1+ по предлагаемой схеме:
ΔЕ° реакции имеет отрицательное значение:
Реакция невозможна, так как окисленная форма Fe 3+ пары Fe 3+ / Fe 2 + не может окислить T1+ пары Т1 3 +/Т1 + .
Если ЭДС реакции является отрицательной величиной, то реакция идет в обратном направлении. Чем больше ΔЕ°, тем реакция протекает более интенсивно.
Задача. Каково химическое поведение FeC1 3 в растворе, содержащем:
a) NaI; б) NaBr?
Составляем полуреакции и находим потенциалы для пар:
а) Е реакции 2I - + 2Fe 3 + = I 2 + 2Fe 2 + будет равна 0,771-0,536 = = 0,235 В, Е имеет положительное значение. Следовательно, реакция идет в сторону образования свободного йода и Fe 2+ .
б) Е° реакции 2Br - + 2Fe 3 + = Br 2 + 2Fe 2 + будет равна 0,771-1,065 = = -0,29 В. Отрицательное значение Е o показывает, что хлорид железа не будет окисляться бромидом калия.
8.6. КОНСТАНТА РАВНОВЕСИЯ
ОКИСЛИТЕЛЬНО-ВОССТАНОВИТЕЛЬНОЙ РЕАКЦИИ
В некоторых случаях необходимо знать не только направление и интенсивность окислительно-восстановительных реакций, но и полноту протекания реакций (на сколько процентов исходные вещества превращаются в продукты реакции). Например, в количественном анализе можно опираться только на те реакции, которые практически протекают на 100%. Поэтому прежде чем использовать ту или иную реакцию для решения какой-либо задачи, определяют константу рав-
новесия (К Р) данной о-в системы. Для определения Кр окислительно-восстановительных процессов используют таблицу стандартных окислительно-восстановительных потенциалов и уравнение Нернста:
поскольку при достижении равновесия потенциалы сопряженных пар окислителя и восстановителя окислительно-восстановительного процесса становятся одинаковыми: φ°окисл. - φ°восстан. = 0, то Е o = 0. Из уравнения Нернста в равновесных условиях Е o реакции равна:
где n - число электронов, участвующих в окислительно-восстановительной реакции; П.С. прод. р-ции и П.С. исх. в-в - соответственно произведение равновесных концентраций продуктов реакции и исходных веществ в степени их стехиометрических коэффициентов в уравнении реакции.
Константа равновесия указывает, что состояние равновесия данной реакции наступает тогда, когда произведение равновесных концентраций продуктов реакции станет в 10 раза больше произведения равновесных концентраций исходных веществ. Кроме того, большая величина Кр указывает, что реакция протекает слева направо. Зная Кр, можно, не прибегая к опытным данным, рассчитать полноту протекания реакции.
8.7. ОКИСЛИТЕЛЬНО-ВОССТАНОВИТЕЛЬНЫЕ РЕАКЦИИ В БИОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ
В процессе жизнедеятельности в клетках и тканях могут возникать разности электрических потенциалов. Электрохимические превращения в организме можно разделить на 2 основные группы.
1.Окислительно-восстановительные процессы вследствие переноса электронов от одних молекул к другим. Эти процессы имеют электронную природу.
2.Процессы, связанные с переносом ионов (без изменения их зарядов) и с образованием биопотенциалов. Биопотенциалы, регистрируемые в организме, - это в основном мембранные потенциалы. Они имеют ионную природу. В результате этих процессов возникают потенциалы между разными прослойками тканей, находящихся в разных физиологических состояниях. Они связаны с различной интенсивностью протекания физиологических окислительно-восстановительных процессов. Например, потенциалы, образующиеся в тканях поверхности листа на освещенной и неосвещенной стороне в результате различной интенсивности протекания процесса фотосинтеза. Освещенный участок оказывается положительно заряженным по отношению к неосвещенному.
В окислительно-восстановительных процессах, имеющих электронную природу, можно выделить три группы.
К первой группе можно отнести процессы, связанные с переносом электронов между веществами без участия кислорода и водорода. Эти процессы осуществляются с участием комплексов переноса электронов - гетеровалентных и гетероядерных комплексов. Перенос электронов происходит в комплексных соединениях одного и того же металла или атомов различных металлов, но в разной степени окисления. Действующим началом переноса электронов являются переходные металлы, которые проявляют несколько устойчивых степеней окисления, и для переноса электронов и протонов не требуются большие энергетические затраты, перенос может осуществляться на большие расстояния. Обратимость процессов позволяет многократно участвовать в циклических процессах. Данные колебательные процессы обнаружены в ферментативном катализе (цитохромы), синтезе белков, обменных процессах. Данная группа превращений участвует в поддержании антиокислительного гомеостаза и в защите организма от окислительного стресса. Они являются активными регуляторами свободно-радикальных процессов, системой утилизации активных форм кислорода, перекиси водорода, участвуют в окислении субстратов
типа каталазы, пероксидазы, дегидрогеназы. Эти системы осуществляют антиоксидантное, антиперекисное действие.
Ко второй группе можно отнести окислительно-восстановительные процессы, связанные с участием кислорода и водорода. Например, окисление альдегидной группы субстрата в кислотную:
В третью группу относят процессы, связанные с переносом протонов и электронов от субстрата, которые носят pH-зависимый характер, протекают в присутствии ферментов дегидрогеназ (E) и коферментов (Ко) с образованием активированного комплекса фермент-кофермент-субстрат (Е-Ко-S), присоединяя электроны и катионы водорода от субстрата, и вызывают его окисление. Таким коферментом является никотинамидадениндинуклеотид (НАД +), который присоединяет два электрона и один протон:
В биохимических процессах имеют место совмещенные химические равновесия: окислительно-восстановительные, протолитиче-ские и процессы комплексообразования. Процессы, как правило, имеют ферментативный характер. Виды ферментативного окисления: дегидрогеназное, оксидазное (цитохромы, свободнорадикальное окисление-восстановление). Протекающие в организме окислительно-восстановительные процессы условно можно разделить на следующие типы: 1) реакции внутримолекулярной дисмутации (диспропорцио-нирования) за счет атомов углерода субстрата; 2) реакции межмолекулярные. Наличие у атомов углерода широкого диапазона степеней окисления от -4 до +4 свидетельствует об его двойственности. Поэтому в органической химии распространены реакции окислительно-восстановительной дисмутации за счет атомов углерода, которые протекают внутри- и межмолекулярно.
8.8. МЕМБРАННЫЙ ПОТЕНЦИАЛ
Со времен Р. Вирхова известно, что живая клетка - это элементарная ячейка биологической организации, обеспечивающая все функции организма. Протекание многих физиологических процессов в организме связано с переносом ионов в клетках и тканях и сопровождается возникновением разности потенциалов. Большая роль в мембранном транспорте принадлежит пассивному транспорту веществ: осмосу,
фильтрации и биоэлектрогенезу. Эти явления определяются барьерными свойствами клеточных мембран. Разность потенциала между растворами разной концентрации, разделенными мембраной с избирательной проницаемостью, называют мембранным потенциалом. Мембранный потенциал имеет ионную, а не электронную природу. Он обусловлен возникновением ионной асимметрии, т.е. неодинаковым распределением ионов по обе стороны мембраны.
Катионный состав межклеточной среды близок к ионному составу морской воды: натрий, калий, кальций, магний. В процессе эволюции природа создала особый способ переноса ионов, получивший название пассивного транспорта, сопровождающегося возникновением разности потенциалов. Во многих случаях основой переноса веществ является диффузия, поэтому потенциал, который образуется на клеточной мембране, называют иногда диффузионным потенциалом. Он существует, пока концентрация ионов не выравнивается. Величина потенциала невелика (0,1 В). Облегченная диффузия осуществляется через ионные каналы. Ионная асимметрия используется для генерации возбуждения в нервных и мышечных клетках. Однако наличие ионной асимметрии по обе стороны мембраны важно и для тех клеток, которые не способны генерировать возбуждающий потенциал.
8.9. ВОПРОСЫ И ЗАДАЧИ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ
ПОДГОТОВЛЕННОСТИ К ЗАНЯТИЯМ
И ЭКЗАМЕНАМ
1.Дайте понятие об электродном и окислительно-восстановительном потенциалах.
2.Отметить основные закономерности, наблюдаемые в ряду редокс-потенциалов.
3.Что является мерой восстановительной способности веществ? Приведите примеры наиболее часто встречающихся восстановителей.
4.Что является мерой окислительной способности вещества? Приведите примеры наиболее часто встречающихся окислителей.
5.Как можно экспериментально определить величину редокс-потенциала?
6.Как изменится потенциал системы Со 3+ /Со 2+ при введении в нее цианид-ионов? Ответ поясните.
7.Приведите пример реакций, в которых пероксид водорода играет роль окислителя (восстановителя) в кислой и щелочной средах.
8.Какое значение имеет феномен выявления лигандного окружения центрального атома на редокс-потенциал для функционирования живых систем?
9.Циклу Кребса при биологическом окислении глюкозы непосредственно предшествует реакция:
где НАДН и НАД + - восстановленная и окисленная форма нико-тинамиддинуклеотида. В каком направлении идет эта окислительно-восстановительная реакция при стандартных условиях?
10.Как называются вещества, обратимо реагирующие с окислителями и предохраняющие субстраты?
11.Приведите примеры действия бактерицидных веществ, основанного на окислительных свойствах.
12.Реакции, лежащие в основе методов перманганатометрии и иодо-метрии. Рабочие растворы и методы их приготовления.
13.В чем заключается биологическая роль реакций, в которых изменяется степень окисления марганца и молибдена?
14.В чем заключается механизм токсического действия соединений азота (III), азота (IV), азота (V)?
15.Как происходит обезвреживание супероксид иона в организме? Приведите уравнение реакций. Какова роль ионов металлов в этом процессе?
16.В чем заключается биологическая роль полуреакций: Fe 3+ + ē ↔ Fe 2+ ; Cu 2+ + ē ↔ Cu + ; Co 3+ + ē ↔ Co 2+ ? Приведите примеры.
17.Как стандартная ЭДС связана с изменением энергии Гиббса редокс-процесса?
18.Сравните окислительную способность озона, кислорода и перок-сида водорода по отношению к водному раствору иодида калия. Ответ подтвердите табличными данными.
19.Какие химические процессы лежат в основе обезвреживания супероксид-анионрадикала и пероксида водорода в организме? Приведите уравнения полуреакций.
20.Приведите примеры редокс-процессов в живых системах, сопровождающиеся изменением степеней окисления d-элементов.
21.Приведите примеры использования окислительно-восстановительных реакций для детоксикации.
22.Приведите примеры токсического действия окислителей.
23.В растворе имеются частицы Cr 3+ , Cr 2 O 7 2- , I 2 , I - . Определите, между какими из них самопроизвольно осуществляется взаимодействие в стандартных условиях?
24.Какая из указанных частиц является более сильным окислителем в кислой среде КMnO 4 или K 2 Cr 2 O 7 ?
25.Как определить константу диссоциации слабого электролита с помощью потенциометрического метода? Составьте схему химической цепи гальванического элемента.
26.Допустимо ли единовременное введение в организм растворов RMnO 4 и NaNO 2 ?
8.10. ТЕСТОВЫЕ ЗАДАНИЯ
1. Какие молекулы галогенов (простые вещества) проявляют окислительно-восстановительную двойственность?
а)ни один, все они только окислители;
б)все, кроме фтора;
в)все, кроме йода;
г)все галогены.
2. Какой галогенид-ион обладает наибольшей восстановительной активностью?
а)F - ;
б)C1 - ;
в)I - ;
г)Br - .
3. Какие галогены вступают в реакции диспропорционирования?
а)все, кроме фтора;
б)все, кроме фтора, хлора, брома;
в)все, кроме хлора;
г)ни один из галогенов не участвует.
4. В двух пробирках находятся растворы КВr и KI. В обе пробирки прибавлен раствор FeCl 3 . В каком случае галогенид-ион окисляется до свободного галогена, если E o (Fe 3+ / Fe 2+) = 0,77 В; E°(Br 2 /2Br -) = 1,06 В; Е o (I2/2I -) = 0,54 В?
а)KBr и KI;
б)KI;
в)КВr;
г)ни в одном случае.
5. Наиболее сильный восстановитель:
6. В какой из реакций с участием перекиси водорода одним из продуктов реакции будет газообразный кислород?
7. Какой из предложенных элементов имеет наибольшее значение относительной электроотрицательности?
а)O;
б)C1;
в)N;
г)S.
8. Углерод в органических соединениях проявляет свойства:
а)окислителя;
б)восстановителя;
С окислительно-восстановительными реакциями связаны дыхание и обмен веществ, гниение и брожение, фотосинтез и нервная деятельность живых организмов. Окислительно-восстановительные процессы лежат в основе горения топлива, коррозии металлов, электролиза, металлургии и т.д. Реакции, протекающие с изменением степени окисления атомов, входящих в состав реагирующих молекул, называются окислително- восстановительными. Процессы окисления и восстановления протекают одновременно: если один элемент, участвующий в реакции, окисляется, то другой должен восстанавливаться. Окислитель - это вещество, содержащее элемент, который принимает электроны и понижает степень окисления. Окислитель в результате реакции восстанавливается. Так, в реакции 2Fe +3 Cl - 3 + 2K + I - -> I 2 0 + 2Fe +2 Cl 2 - + 2K + Cl - . Восстановитель - вещество, содержащее элемент, который отдает электроны и повышает степень окисления. Восстановитель в результате реакции окисляется. Восстановителем в предлагаемой реакции является ион I - . Источником электрической энергии в элементе служит химическая реакция вытеснения меди цинком: Zn + Cu 2+ + Cu. Работа окисления цинка, равная убыли изобарно-изотермического потенциала, может быть представлена как произведение переносимого электричества на величину э. д. с.: A=--дG 0 =п EF, где п- заряд катиона; Е - з. д. с. элемента и F- число Фарадея. С другой стороны, по уравнению изотермы реакции. Окислительно-восстановительные потенциалы имеют большое значение в физиологии человека и животных. К числу редок-сисистем относятся такие системы в крови и тканях, как гем/гематии и цитохромы, в которых содержится двух- и трехвалентное железо; аскорбиновая кислота (витамин С), находящаяся в окисленной и восстановленной формах; система глутатиона, цистин-цистеина янтарной и фумаровой кислот и др.Важнейший процесс биологического окисления, а именно перенос электронов и протонов с окисляемого субстрата на кислород осуществляемый в тканях при помощи строго определенного рядя промежуточных ферментов-переносчиков, также представляет собой цепь окислительно-восстановительных процессов. Каждое звене этой цепи соответствует той или иной редокс-системе, характерезующейся определенным редокс-потенциалом.
Определение направления окислительно-восстановительных реакций по стандартным значениям свободной энергии образования реагентов и по величинам окислительно-восстановительных потенциалов.
Различные процессы жизнедеятельности сопровождаются возникновением в организме электрохимических процессов, играющих существенную роль в обмене веществ. Электрохимические превращения в организме можно разделить на две основные группы: процессы, связанные с переносом электронов и возникновением окислительно-восстановительных потенциалов; процессы, связанные с переносом ионов (без изменения их зарядов) и с образованием биоэлектрических потенциалов. В результате этих процессов возникают разности потенциалов между разными прослойками тканей, находящихся в различных физиологических состояниях. Они связаны с различной интенсивностью окислительно-восстановительных биохимических процессов. К ним относятся, например, потенциалы фотосинтеза, возникающие между освещенными н неосвещенными участками листа, причем освещенный участок оказывается положительно заряженным по отношению к неосвещенному. Окислительно-восстановительные процессы первой группы в организме можно разделить на три типа: 1.Непосредственный перенос электронов между веществами без участия атомов кислорода и водорода, например, перенос электрона в цитохромах: цитохром (Fе 3+) + е -> цитохром (Ре 2+) и перенос электрона в ферменте цитохромоксидазе: цитохромоксидаза (Си 2+) + е -> цитохромоксидаза (Си 1+). 2. Окислительный, связанный с участием атомов кислорода и ферментов оксидаз, например, окисление альдегидной группы субстрата в кислотную: RСОН + O ó RСООН. 3.рН-Зависимый, происходящий в присутствии ферментов дегидрогеназ (Е) и коферментов (Ко), которые образуют активированный комплекс фермент-кофермент-субстрат (Е-Ко-5), присоединяет электроны и катионы водорода от субстрата и вызывает его окисление.Такими коферментами являются никотинамид-аденин-нуклеотид (НАД +), который присоединяет два электрона и один протон: S-2Н - 2е + НАД* ó S + НАДН + Н + , флавин-аденин-динуклеотид (ФАД), который присоединяет два электрона и два протона: S - 2Н - 2е + ФАД óS + ФАДН 2 , и убихинон или кофермент Q (КоО), который также присоединяет два электрона и два протона: S-2Н - 2е + КоQ ó S + КоQН 2 .
Это реакции, идущие с переносом электронов и изменением степени окисления элементов.
ОВП состоят из двух одновременно протекающих и противоположно направленных процессов - окисления и восстановления. Окисление - это процесс отдачи электронов, в ходе которого происходит увеличение степени окисления элементов. Восстановление - это процесс присоединения электронов, в ходе которого происходит уменьшение степени окисления элементов. Окислитель - это вещество, атом которого принимает электроны, тем самым уменьшая степень окисления. Восстановитель - это вещество, атом которого отдает электроны, тем самым увеличивая степень окисления. ОВП подразделяются на три типа.
1. Межмолекулярные , в которых окислитель и восстановитель находятся в разных молекулах, например:
2KMn +7 O 4 + 5KN +3 O 2 + 3H 2 SO 4 = 2Mn +2 SO 4 + 5KN +5 O 3 + K 2 SO 4 + 3H 2 O
окислитель - Mn +7 , восстановитель - N +3 .
2. Внутримолекулярные , в которых окислитель и восстановитель находятся в одной молекуле, но являются разными элементами, например:
2KCl +5 O 3 -2 = 2KCl -1 + 3O 4 0
окислитель - Cl +5 , восстановитель - O -2 .
3. Диспропорционирования (самоокисления - самовосстановления), в которых окислителем является один и тот же элемент в одной и той же степени окисления, например:
3Cl 2 0 + 6KOH = 5КСl -1 + KCl +5 O 3 + 3H 2 O
окислитель - Cl 0 , восстановитель - Cl 0 .
В ходе окислительно-восстановительных процессов между частями системы происходит перераспределение зарядов. Возникающая разность зарядов между частями системы носит название потенциал . Существует несколько видов потенциалов, связанных с прохождением различных процессов.
Одним из них является электродный потенциал , который возникает в том случае, когда пластинку металла погружают в раствор его соли (например, пластинку цинка в раствор сульфата цинка). При этом возможно прохождение двух процессов, которые определяются активностью металла и концентраций его катиона в растворе (рис.1).
Ме n+ + _ + Ме n+ _ + _
рис. 1 Виды электродных процессов
Первый процесс происходит в том случае, когда активность металла высока, а концентрация его катиона невелика. В этом случае (см. рис. 1) ионы металла, находящиеся в узлах кристаллической решетки металла, вследствие гидратации будут переходить в раствор, заряжая его положительно; электроны, входящие в состав «электронного газа» (особенности металлической связи) остаются на куске металла, придавая ему отрицательный заряд.
В случае низкой активности металла и высокой концентрации его катиона процесс может идти в другом направлении (см. рис. 2). Катионы металла могут перейти на пластинку, достраивая кристаллическую решетку металла и придавая ей положительный заряд; анионы соли остаются в растворе, заряжая его отрицательно. В обоих процессах между пластинкой металла и раствором его соли возникает разность зарядов, называемая электродным потенциалом Е . Независимо от механизма возникновения электродного потенциала, он определяется окислительно-восстановительным процессом, а его величина - уравнением Нернста :
Me Me n+ + ne -
Zn Zn 2+ + 2e -
где: Е - потенциал системы,
Т - абсолютная температура,
n - число электронов, участвующих в процессе,
R = 8,31 Дж/моль * К,
F = 96500 Кл/моль
[Ме п+ ] - равновесная концентрация соли данного металла.
Подставляя постоянные при 25 0 С, получим:
По величине стандартного электродного потенциала все металлы выстраиваются в электрохимический ряд напряжений.
Одним из основных является окислительно-восстановительный потенциал. Его возникновение связано с обратимостью окислительно-восстановительных процессов. Одно и то же вещество в зависимости от условий может находиться либо в окисленной (Oх), либо восстановленной (Red) форме. Между этими двумя формами идут процессы взаимного перехода, сопровождающиеся изменением заряда системы. Процесс взаимного перехода идет до тех пор, пока между двумя формами не установится равновесие:
Fe 2+ Fe 3+ + e
После установления равновесия в системе возникает избыточный заряд, называемый окислительно-восстановительным или редокс-потенциалом. Его величина определяется уравнением Нернста:
где: Е - потенциал системы,
Е 0 - стандартный потенциал системы, т.е. потенциал, определенный в стандартных условиях (Т=292 К, р=1 атм, = [Ох] = 1 моль/л)
, [Ох] - равновесные концентрации восстановленной и окисленной форм.
Любой окислительно-восстановительный процесс можно представить как взаимодействие двух редокс-систем - системы окислителя и системы восстановителя. Направление ОВП будет определяться величинами редокспотенциалов систем.
При этом можно выделить следующие закономерности:
1. Одна и та же редокс-система может являться как окислителем, так и восстановителем - это зависит от соотношения величин потенциалов;
2. Системы с более отрицательным потенциалом будут восстанавливать системы с более положительным потенциалом;
3. После прохождения ОВП потенциалы редокс-систем выравниваются.
Возникновение разности зарядов между частями системы может быть и не связано с прохождением ОВП. Так, в ходе процесса диффузии между частями раствора, вследствие различной подвижности ионов, возникает разность зарядов, называемая диффузным потенциалом . Диффузный потенциал существует недолго и исчезает по окончании процесса диффузии.
Если два раствора разделить полупроницаемой мембраной, то на сторонах мембраны возникает разность зарядов, называемая мембранным потенциалом . Возникновение мембранного потенциала связано с тем, что вследствие различного размера ионов они могут проходить или не проходить через мембрану.
В живых организмах, вследствие наличия многочисленных мембран, направленного транспорта веществ и прохождения различных ОВП между его частями, возникает разность зарядов, называемая биопотенциалами. По своей природе биопотенциалы могут быть диффузными, мембранными и редокспотенциалами. Биопотенциалы играют важнейшую роль в направленном транспорте веществ, работе мембранных систем, процессах биосинтеза, выделение и запасание энергии. Выделение и запасание организмом энергии тесно связано с процессами окисления и восстановления.
63. Окислительно-восстановительные реакции. Роль окислительно-восстановительных процессов в организме. Окислительно-восстановительный потенциал. Уравнение Нернста.
С окислительно-восстановительными реакциями связаны дыхание и обмен веществ, гниение и брожение, фотосинтез и нервная деятельность живых организмов. Окислительно-восстановительные процессы лежат в основе горения топлива, коррозии металлов, электролиза, металлургии и т.д. Реакции, протекающие с изменением степени окисления атомов, входящих в состав реагирующих молекул, называются окислително- восстановительными. Процессы окисления и восстановления протекают одновременно: если один элемент, участвующий в реакции, окисляется, то другой должен восстанавливаться. Окислитель - это вещество, содержащее элемент, который принимает электроны и понижает степень окисления. Окислитель в результате реакции восстанавливается. Так, в реакции 2Fe +3 Cl - 3 + 2K + I - -> I 2 0 + 2Fe +2 Cl 2 - + 2K + Cl - . Восстановитель - вещество, содержащее элемент, который отдает электроны и повышает степень окисления. Восстановитель в результате реакции окисляется. Восстановителем в предлагаемой реакции является ион I - . Источником электрической энергии в элементе служит химическая реакция вытеснения меди цинком: Zn + Cu 2+ + Cu. Работа окисления цинка, равная убыли изобарно-изотермического потенциала, может быть представлена как произведение переносимого электричества на величину э. д. с.: A=--дG 0 =п EF, где п- заряд катиона; Е - з. д. с. элемента и F - число Фарадея. С другой стороны, по уравнению изотермы реакции. Окислительно-восстановительные потенциалы имеют большое значение в физиологии человека и животных. К числу редок-сисистем относятся такие системы в крови и тканях, как гем/гематии и цитохромы, в которых содержится двух- и трехвалентное железо; аскорбиновая кислота (витамин С), находящаяся в окисленной и восстановленной формах; система глутатиона, цистин-цистеина янтарной и фумаровой кислот и др.Важнейший процесс биологического окисления, а именно перенос электронов и протонов с окисляемого субстрата на кислород осуществляемый в тканях при помощи строго определенного рядя промежуточных ферментов-переносчиков, также представляет собой цепь окислительно-восстановительных процессов. Каждое звене этой цепи соответствует той или иной редокс-системе, характерезующейся определенным редокс-потенциалом.
65. Определение направления окислительно-восстановительных реакций по стандартным значениям свободной энергии образования реагентов и по величинам окислительно-восстановительных потенциалов.
Различные процессы жизнедеятельности сопровождаются возникновением в организме электрохимических процессов, играющих существенную роль в обмене веществ. Электрохимические превращения в организме можно разделить на две основные группы: процессы, связанные с переносом электронов и возникновением окислительно-восстановительных потенциалов; процессы, связанные с переносом ионов (без изменения их зарядов) и с образованием биоэлектрических потенциалов. В результате этих процессов возникают разности потенциалов между разными прослойками тканей, находящихся в различных физиологических состояниях. Они связаны с различной интенсивностью окислительно-восстановительных биохимических процессов. К ним относятся, например, потенциалы фотосинтеза, возникающие между освещенными н неосвещенными участками листа, причем освещенный участок оказывается положительно заряженным по отношению к неосвещенному. Окислительно-восстановительные процессы первой группы в организме можно разделить на три типа: 1.Непосредственный перенос электронов между веществами без участия атомов кислорода и водорода, например, перенос электрона в цитохромах: цитохром (Fе 3+) + е -> цитохром (Ре 2+) и перенос электрона в ферменте цитохромоксидазе: цитохромоксидаза (Си 2+) + е -> цитохромоксидаза (Си 1+). 2. Окислительный, связанный с участием атомов кислорода и ферментов оксидаз, например, окисление альдегидной группы субстрата в кислотную: RСОН + O RСООН. 3.рН-Зависимый, происходящий в присутствии ферментов дегидрогеназ (Е) и коферментов (Ко), которые образуют активированный комплекс фермент-кофермент-субстрат (Е-Ко-5), присоединяет электроны и катионы водорода от субстрата и вызывает его окисление.Такими коферментами являются никотинамид-аденин-нуклеотид (НАД +), который присоединяет два электрона и один протон: S-2Н - 2е + НАД* S + НАДН + Н + , флавин-аденин-динуклеотид (ФАД), который присоединяет два электрона и два протона: S - 2Н - 2е + ФАД S + ФАДН 2 , и убихинон или кофермент Q (КоО), который также присоединяет два электрона и два протона: S-2Н - 2е + КоQ S + КоQН 2 .
Размер: px
Начинать показ со страницы:
Транскрипт
1 Биологическая роль окислительно-восстановительных реакций Особенностью биологических ОВР является их многостадийность. Они проходят через ряд промежуточных стадий с образованием множества кислородсодержащих продуктов, которые в конце концов окисляются до оксида углерода (IV) и воды. Окислительно-восстановительные реакции необходимы и для синтеза множества жизненно важных кислородсодержащих органических биомолекул (углеводы, жирные кислоты, гормоны). Отдельные стадии биологического окисления обратимы, что обеспечивает поддержание окислительно-восстановительного гомеостаза в организме. В их числе реакция С-гидроксилирования: R R Окисление углеводородов до спиртов осуществляется в организме ферментативным путем и является первой стадией выведения чужеродных органических веществ, в том числе и углеводородов, из организма. Чужеродные органические вещества называются ксенобиотиками. Эта реакция заключается в замене связи С Н на С ОН и служит для введения гидроксильной группы в состав биомолекулы. Образование гликолей из непредельных соединений является важной биохимической реакцией: , 2 В биосредах это превращение идет через промежуточную стадию окиси: которая далее присоединяет воду. Именно эти превращения объясняют сильную канцерогенную (от латинского cancer рак, genos род, происхождение) активность углеводородов, присутствующих в табачном дыме. Арены, попадая в живой организм, превращаются в карбоновые кислоты, а сам бензол подвергается медленному С-гидроксилированию с образованием фенола, обладающего биологическим действием.,
2 Бензол накапливается в организме, то есть является кумулятивным ядом. Спирты легко подвергаются окислению, в результате чего первичные спирты окисляются в альдегиды: R 2 R , а вторичные в кетоны: R R (Третичные спирты в мягких условиях не окисляются, а в жестких окисляются с разрывом углеродной цепи.) Эти процессы составляют промежуточную фазу окислительных клеточных процессов, происходящих под воздействием ферментов. Реакция обратима. При окислении первичной спиртовой группы глицерина образуется глицериновый альдегид: 2 - а при окислении вторичной диоксиацетон 2 - Окисление глицерина является также обратимым биохимическим превращением, связывающим между собой липиды и углеводы. В целом в живых организмах самые различные органические вещества (углеводы, спирты, альдегиды) обычно претерпевают ферментативное окисление до соответствующих карбоновых кислот: R 2 R
3 R R Иногда это имеет нежелательные последствия, например: превращение метанола под действием ферментов в формальдегид и муравьиную кислоту объясняет его токсическое действие; разрушительное действие алкоголя на организм тоже объясняется его ферментативным окислением в ацетальдегид; токсичность этиленгликоля обусловлена его окислением до токсичной щавелевой кислоты. Метаболизм органических биомолекул до карбоновых кислот общая биохимическая реакция. Ключевым соединением многостадийного процесса углеводного обмена является пировиноградная кислота: 3 окисляется: При клеточном дыхании в присутствии кислорода она в конечном итоге (аэробное окисление). В отсутствие кислорода она, под действием ферментов, восстанавливается в молочную кислоту: 3 Молочная кислота накапливается в мышцах при интенсивных физических нагрузках, связанных с большими затратами кислорода. За счет различных окислительно-восстановительных процессов организм получает 99% энергии. Окисление липидов сопровождается выделением 39 кдж энергии на 1 г жира, что более чем в 2 раза превышает тепловой эффект окисления углеводов или белков. Кроме того, при окислении 1 г жира, образуется до 1,4 г воды, что является существенным вкладом в поддержание общего водно-электролитного баланса в организме. 3
4 С помощью окислительно-восстановительных реакций в организме распадаются токсичные вещества, как образующиеся в ходе метаболизма, так и попавшие в него извне. Действие на организм многих токсичных веществ (озон, нитраты, оксиды азота и т.д.) вещества объясняется их сильными окислительными свойствами. Такие необратимо разрушают ферменты. Сильные окислители (перманганат калия, пероксид водорода, иод, хлорная известь и др.) используются в медицине и гигиенической практике как дезинфицирующие средства. Окислительно-восстановительные реакции в органической химии. (методические рекомендации) Огромное количество окислительно-восстановительных реакций протекает с участием органических веществ. Примерно 60% всех реакций, в которые вступают органические вещества, являются окислительно-восстановительными. Рассмотрим методику расстановки коэффициентов в уравнениях реакций с участием органических соединений. В органических соединениях можно или определить «среднюю» степень окисления для всех атомов углерода, или вычислить для каждого из атомов углерода в соединении отдельно. Например: 8/ С 3 Н Определить степень окисления углерода в соединении можно по формуле: с.о. (С) = m l, где m число связей данного атома углерода с гетероатомами (атомами кислорода, галогенов, азота, серы), а l число связей атомов данного атома углерода с водородом. Например, в молекуле метанола атом углерода имеет одну связь с кислородом и три связи с водородом: m = 1; l = 3, степень окисления углерода в метаноле равна 1 3 = 2. Рассмотрим переход: метан метанол метаналь муравьиная кислота оксид углерода (IV). Без применения понятия степень окисления нельзя с уверенностью сказать, являются ли реакции, с помощью которых осуществляется данный переход,
5 окислительно-восстановительными или нет. Вычислим степени окисления углерода в перечисленных веществах. Получим: Степень окисления атомов углерода возрастает окисление Рассмотрим несколько примеров ОВР с участием органических веществ. Реакция горения н-бутана. Схема реакции: С 4 Н 10 + О 2 СО 2 + Н 2 О Средняя величина степени окисления углерода в бутане: 10/4 = 2,5. Степень окисления углерода в оксиде углерода баланса: 2,5 +4 в-ль 4С 26е 4С 2 ок-е о-ль 2 + 4e 2 13 в-е (IV) равна +4. Составим схему электронного С учетом найденных коэффициентов, уравнение реакции горения н-бутана: Но можно рассуждать и по-другому. В молекуле н-бутана степени окисления атомов углерода различаются: СН 3 СН 2 СН 2 СН 3 В этом случае схема электронного баланса будет выглядеть следующим образом: С 14e ок-е 2С 12e 2 26e e 2 13 в-е Реакция окисления этилена раствором перманганата калия в нейтральной среде. Расставим коэффициенты в уравнении реакции методом электронного баланса. Схема реакции: = 2 + KMn Mn 2 + K 2 1
6 2 2e 2 3 ок-е Mn + 3e Mn 2 в-е Уравнение реакции: 3 2 = 2 + 2KMn Mn 2 + 2K Можно расставить коэффициенты в данном уравнении и методом полуреакций. Молекулы этилена окисляются в этой реакции с образованием молекул этиленгликоля, а перманганат-ионы восстанавливаются с образованием диоксида марганца. Схемы полуреакций: e 2 4 () Mn e Mn Суммарное электронно-ионное уравнение: Mn () 2 + 2Mn Mn () 2 + 2Mn реакции: Реакция окисления глюкозы перманганатом калия в кислой среде. Схема KMn S MnS 4 + K 2 S а) Метод электронного баланса. Первый вариант. Рассчитываем среднюю степень окисления углерода в глюкозе: e Mn +5e Mn 5 ок-е 24 в-е Второй вариант. Рассчитываем степени окисления каждого из атомов углерода в молекуле глюкозы: () 4 Схема электронного баланса усложняется: e e 4 5 ок-е e
7 24e Mn + 5e Mn 24 в-е б) Метод полуреакций e ок-е Mn e Mn Суммарное ионное уравнение: 24 в-е Mn Mn Mn Mn Молекулярное уравнение: KMn S MnS K 2 S
Окислительно-восстановительные реакции с участием органических веществ Рассмотрим наиболее типичные реакции окисления различных классов органических веществ. При этом будем иметь в виду, что реакция горения
Л. В. Куцапкина Окислительновосстановительные реакции в органической химии Подготовка к ЕГЭ 2016 УДК 82-3 ББК 84-4 К95 К95 Куцапкина Л. В. Окислительно-восстановительные реакции в органической химии:
План конспекта по теме Алканы (предельные или насыщенные углеводороды, парафины) Фамилия, имя, группа Алканы это выписать определение Гомологический ряд алканов: составьте таблицу первых десяти представителей
УДК 54 СПОСОБЫ РАССТАНОВКИ КОЭФФИЦИЕНТОВ В РЕАКЦИЯХ ОКИСЛЕНИЯ ОРГАНИЧЕСКИХ ВЕЩЕСТВ Мартынюк К. П. Руководитель: учитель Бурякова Г.А. химии МКОУ Невонская СОШ 6 ВВЕДЕНИЕ Актуальность проблемы. Одной из
Организация подготовки к ЕГЭ по химии: окислительно-восстановительные реакции с участием органических веществ Лидия Ивановна Асанова к.п.н., доцент кафедры естественнонаучного образования ГБОУ ДПО «Нижегородский
П\п Тема Урок I II III 9 класс, 2014-2015 учебный год, базовый уровень, химия Тема урока Колво часов Примерные сроки Знания, умения, навыки. Теория электролитической диссоциации (10 часов) 1 Электролиты
БИЛЕТЫ ПО ХИМИИ 10-11 КЛАСС. БИЛЕТ 1 1. Периодический закон и периодическая система химических элементов Д.И. Менделеева на основе представлений о строении атомов. Значение периоди- ческого закона для
АННОТАЦИЯ К РАБОЧЕЙ ПРОГРАММЕ ДИСЦИПЛИНЫ «Химия» Автор-составитель: Рамзина А.Г. 1. Область применения программы: реализация среднего общего образования в пределах программы подготовки специалистов среднего
Задания В7 по химии 1. Фенол реагирует с 1) хлором 2) бутаном 3) серой 4) гидроксидом натрия 5) азотной кислотой 6) оксидом кремния (IV) Фенолы- кислородсодержащие органические соединения, в молекуле которых
Экзаменационные билеты по химии 10 класс Билет 1 1. Основные положения теории химического строения органических веществ А.М. Бутлерова. Химическое строение как порядок соединения и взаимного влияния атомов
О. В. Архангельская, И. А. Тюльков., МГУ. Трудная задача. Начнем по порядку. Для подбора коэффициентов в уравнениях окислительно-восстановительных реакциях существуют два метода: электронного баланса электронно-ионного
1. К автотрофным организмам относят 1) мукор 2) дрожжи 3) пеницилл 4) хлореллу ТЕМА «Энергетический обмен» 2. В процессе пиноцитоза происходит поглощение 1) жидкости 2) газов 3) твердых веществ 4) комочков
Билет 1 1. Периодический закон и периодическая система химических элементов Д.И.Менделеева на основе представлений о строении атомов. Значение периодического закона для развития науки. 2. Предельные углеводороды,
Задания А15 по химии 1. Свежеосаждённый гидроксид меди(ii) реагирует с 1) этиленгликолем 2) метанолом 3) диметиловым эфиром 4) пропеном Свежеосаждённый гидроксид меди (II) реагирует многоатомными спиртами
Задания А16 по химии 1. Формальдегид не реагирует с Формальдегид это муравьиный альдегид, он же метаналь; 40%-й раствор формальдегида в воде называется формалин. По карбонильной группе идут реакции присоединения
Четверть 1 Органические вещества это вещества, содержащие углерод. Раздел химии, изучающий соединения углерода, называется органической химией. Вещества, имеющие одинаковый состав и одинаковую молекулярную
С п и р т ы R Функциональные г р у п п ы Функц. группа Класс органических веществ Гидроксил Карбонил Карбоксил C С п и р т ы и фенолы Альдегиды Кетоны C Карбоновые кислоты Пример 3 C C 2 C 2 3 C C C 3
Задания А19 по химии 1. Взаимодействие оксида натрия с водой относится к реакциям 1) соединения, необратимым 2) обмена, обратимым 3) соединения, обратимым 4) обмена, необратимым Оксид натрия - основный
Министерство образования и науки Российской Федерации ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «СИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»
СОДЕРЖАНИЕ ПРОГРАММЫ Раздел 1. Химический элемент Тема 1. Строение атомов. Периодический закон и периодическая система химических элементов Д.И. Менделеева. Современные представления о строении атомов.
Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение г. Шахты Ростовской области «Средняя общеобразовательная школа 43 имени М.Н.Тарарина» АННОТАЦИИ К РАБОЧЕЙ ПРОГРАММЕ ПО ХИМИИ В 8-11 КЛАССАХ Аннотация
ЗАДАНИЕ 3 Примеры решения задач Пример 1. При взаимодействии 100 мл раствора неизвестной соли с раствором нитрата серебра выпадает,87 г белого осадка, а при действии на то же количество раствора сульфата
I.Планируемые результаты освоения обучающимися основной образовательной программы основного общего образования по химии Выпускник научится: характеризовать основные методы познания: наблюдение, измерение,
Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение «Средняя общеобразовательная школа 11» Рассмотрено на заседании педагогического совета Протокол от Согласовано Зам. директора по УВР М.Н.Шабурова
Пояснительная записка Цель: систематизировать и обобщить знания учащихся по химии, подготовить учащихся к ОГЭ по химии. Задачи: 1) продолжить формирование знаний учащихся по химии; 2) продолжить формирование
Банк заданий по химии 10 класс 1. С каждым из указанных веществ: хлороводород, водород, бромная вода будет реагировать пропан метан этан этилен 5) ацетилен 2. При выполнении задания из предложенного перечня
Пояснительная записка Изучение химии на ступени основного общего образования направлено на достижение следующих целей: освоение важнейших знаний об основных понятиях и законах химии, химической символике;
Муниципальное казенное образовательное учреждение "Сулевкентская средняя общеобразовательная школа" Отчет о мониторинговой работе Я_СДАМ_ЕГЭ_III_ЭТАП в 11 классе Химия 2017 г. Отчёт о диагностической работе:
Общие положения Вступительные испытания по химии для поступающих на обучение по программам бакалавриата и программам специалитета в СибГУ им. М.Ф. Решетнева представляют собой экзамен, проводимый в письменной
10 класс, химия,2014-2015г, базовый уровень п\п количество Дата проведения Тема урока Тема Урок часов План. факт. I Теоретические основы органической химии (3 часа) II III IV 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ ЛУГАНСКОЙ НАРОДНОЙ РЕСПУБЛИКИ ГОСУДАРСТВЕННОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ДОПОЛНИТЕЛЬНОГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ ЛУГАНСКОЙ НАРОДНОЙ РЕСПУБЛИКИ «РЕСПУБЛИКАНСКИЙ ЦЕНТР РАЗВИТИЯ ОБРАЗОВАНИЯ»
МУНИЦИПАЛЬНОЕ ОБЩЕОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ «МАСЛОВСКАЯ ШКОЛА» ДЖАНКОЙСКОГО РАЙОНА РЕСПУБЛИКИ КРЫМ РАБОЧАЯ ПРОГРАММА по химии 10-11 класс (базовый уровень) Срок реализации: 2016 2018 уч. г. Составитель:
НЕКОММЕРЧЕСКАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ «АССОЦИАЦИЯ МОСКОВСКИХ ВУЗОВ» ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ МСХА
ПРОГРАММА ВСТУПИТЕЛЬНЫХ ЭКЗАМЕНОВ ПО ХИМИИ В САРАТОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ МЕДИЦИНСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ В 2009 ГОДУ 1. Предмет химии, ее задачи. Место химии среди естественных наук, взаимосвязь наук с химией.
Powered by TCPDF (www.tcpdf.org) Пояснительная записка Изучение химии на ступени основного общего образования направлено на достижение следующих целей: освоение важнейших знаний об основных понятиях и
1. Планируемые результаты освоения курса химии 10 класса Тема1 Теоретические основы органической химии. В результате изучения темы «Теоретические основы органической химии» учащиеся должны Знать/понимать:
Содержание Предисловие редактора... 3 Введение... 5 Часть I. ОСНОВЫ ОБЩЕЙ ХИМИИ Раздел 1. Основные понятия и законы химии 1.1. Определение и предмет химии...9 1.2. Первоначальные сведения о строении атомов.
Т ема: «Спирты» Карточка 1 1. Что такое функциональная группа? Приведите примеры различных функциональных групп. 2. Составьте формулы трёх изомеров вещества состава С 4 Н 10 О и дайте им названия. 3. Напишите
Химия 10 класс. Демонстрационный вариант 2 (45 минут) 1 Диагностическая тематическая работа 2 по подготовке к ЕГЭ по ХИМИИ по темам «Кислородсодержащие органические соединения: спирты, фенолы, альдегиды
Муниципальное общеобразовательное учреждение основная школа 8 города Фурманова Рассмотрено На заседании метод.совета /_С.В.Сокова_/ ФИО Протокол от 20 г. Согласовано Заместитель директора по УВР МОУ ООШ
ХИМИЯ Теория строения вещества Атом. Состав атомных ядер. Химический элемент. Постоянство состава вещества. Относительная атомная и относительная молекулярная масса. Закон сохранения массы, его значение
2 Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение «Перовская школа-гимназия» РАССМОТРЕНО СОГЛАСОВАНО УТВЕРЖДАЮ на заседании методического замдиректора по УВР Директор МБОУ объединения учителей «Перовская
Задания В6 по химии 1. Взаимодействие 2-метилпропана и брома при комнатной температуре на свету 1) относится к реакциям замещения 2) протекает по радикальному механизму 3) приводит к преимущественному
Особенности изучения химии на углублённом уровне Центр естественно-математического образования зав. редакцией химии Сладков Сергей Анатольевич ПРОПЕДЕВТИЧЕСКОЕ ИЗУЧЕНИЕ ХИМИИ 1. Более раннее изучения химии
Демоверсия работы по химии за курс 0 класса Часть А.. При выполнении задания из предложенного перечня ответов выберите два правильных и запишите цифры, под которыми они указаны. Для этанола верны следующие
Департамент здравоохранения города Москвы Государственное бюджетное профессиональное образовательное учреждение Департамента здравоохранения города Москвы «Медицинский колледж 2» ОДОБРЕН УТВЕРЖДАЮ Методическим
I.Требования к уровню подготовки учащихся Учащиеся в результате усвоения раздела должны знать/понимать: химическую символику: знаки химических элементов, формулы химических веществ и уравнения химических
Пояснительная записка Рабочая программа составлена на основе примерной программы основного общего образования и авторской программы Гара Н.Н для общеобразовательных учреждений к учебникам химии авторов
ДИАГНОСТИЧЕСКАЯ КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА ПО органической ХИМИИ 10-11 класс Продолжительность: 50 минут Схема анализа диагностической работы Вопросы 1 2 3 22 % учащихся выполнивших задания 1 вариант 2 вариант
Задания В2 по химии 1. Установите соответствие между уравнением реакции и свойством азота, которое он проявляет в этой реакции. УРАВНЕНИЕ РЕАКЦИИ А) В) СВОЙСТВО АЗОТА 1) окислитель 2) восстановитель 3)
Государственный Университет Медицины и Фармации им. Николая Тестемицану Аналитическая программа для вступительных экзаменов. Химия Введение Знания химии необходимы для выявления структур и свойств основных
ПРОГРАММА ВСТУПИТЕЛЬНЫХ ИСПЫТАНИЙ ПО ХИМИИ Программа по химии для поступающих в университет состоит из четырех частей. В первой части представлены основные теоретические понятия химии, которыми должен
Химия 1. Цель и задачи дисциплины Целью освоения дисциплины «Химия» является: освоение знаний о химической составляющей естественно-научной картины мира, важнейших химических понятиях, законах и теориях;
Билет 1. 1. Предмет органической химии. Сигма-связь, пи-связь. Гибридизация орбиталей. Первое, второе и третье валентные состояния атома углерода Билет 2. 1. Теория строения органических веществ Бутлерова
ПРОГРАММА. ОРГАНИЧЕСКАЯ ХИМИЯ. (2 ч в неделю; всего 68 ч, из них 3 ч резервное время). ВВЕДЕНИЕ В ОРГАНИЧЕСКУЮ ХИМИЮ (5 ч) Предмет органической химии. Взаимосвязь неорганических и органических веществ.
Пояснительная записка Рабочая программа по химии составлена на основе: федерального компонента государственного образовательного стандарта среднего (полного) общего образования. М.: «Просвещение» 2004,
Класс, Содержание работы работы 7 класс Предмет химии. Вещества. 1 2 Физические и химические явления. 3 Государственное бюджетное учреждение дополнительного образования Псковской области «Псковский областной
ЗАДАНИЕ 3 Примеры решения задач Пример 1. Напишите все изомеры вторичных спиртов гексанола и назовите их по заместительной номенклатуре. 2 2 2 гексанол-2 2 2 2 гексанол-3 2 4-метилпентанол-2 2 3-метилпентанол-2
ЗАДАНИЯ для 2 этапа Олимпиады «Первые шаги в медицину» по химии ФИО КЛАСС ШКОЛА АДРЕС, ТЕЛЕФОН Вариант 1 (60 баллов) ЧАСТЬ 1 (12 балов) При выполнении заданий этой части в бланке ответов 1 под номером
Тематическое планирование на 2015-2016 уч год химия 10 класс Учебник О.С. Габриелян урока Дата Название раздела, темы урока(с указанием количества часов) Формируемые знания, умения, навыки. Способы деятельности
