ในบทความนี้ เราจะพิจารณาปรากฏการณ์การเกิดออกซิเดชัน นี่เป็นแนวคิดที่มีหลายองค์ประกอบที่ปรากฏในสาขาวิทยาศาสตร์ต่างๆ เช่น ชีววิทยาและเคมี เราจะทำความคุ้นเคยกับกระบวนการนี้และสาระสำคัญที่หลากหลาย
แนะนำตัว
จากมุมมองพื้นฐานและดั้งเดิม การเกิดออกซิเดชันเป็นกระบวนการที่มีลักษณะทางเคมี ซึ่งมาพร้อมกับการเพิ่มขึ้นของระดับของการเกิดออกซิเดชันของอะตอมของสารที่ผ่าน ปรากฏการณ์นี้เกิดขึ้นเนื่องจากการถ่ายโอนอิเล็กตรอนจากอะตอมหนึ่ง (รีดักเตอร์และผู้ให้) ไปยังอะตอมที่สอง (ตัวรับและตัวออกซิไดเซอร์)
คำศัพท์นี้ถูกนำมาใช้ในการหมุนเวียนของวิชาเคมีเมื่อต้นศตวรรษที่ 19 และนักวิชาการ V. M. Severgin เพื่อสร้างการกำหนดที่บ่งบอกถึงปฏิกิริยาของสารกับออกซิเจนจากอากาศในบรรยากาศ
ในบางกรณี การเกิดออกซิเดชันของโมเลกุลจะมาพร้อมกับการสร้างความไม่เสถียรในโครงสร้างของสาร และนำไปสู่การสลายตัวของโมเลกุลให้มีเสถียรภาพมากขึ้นและมีขนาดเล็กลง ความจริงก็คือกระบวนการนี้สามารถทำซ้ำได้หลายระดับของการบด กล่าวคือ อนุภาคขนาดเล็กที่ก่อตัวขึ้นก็สามารถมีระดับการเกิดออกซิเดชันที่สูงกว่าอนุภาคอะตอมที่เป็นต้นฉบับในสารเดียวกัน แต่มีขนาดใหญ่กว่าและเสถียรกว่า
ในวิชาเคมีมีแนวคิดเรื่องระดับการเกิดออกซิเดชันต่ำสุดและสูงสุด ซึ่งช่วยให้เราสามารถจำแนกอะตอมตามความสามารถในการแสดงคุณสมบัตินี้ สถานะออกซิเดชันสูงสุดสอดคล้องกับจำนวนของกลุ่มที่องค์ประกอบตั้งอยู่ ระดับต่ำสุดตามกฎจะกำหนดโดยการติดต่อกันของเลขคู่และเลขคี่: สูงสุด 8=ต่ำสุด 2 สูงสุด 7=ต่ำสุด 1.
การเผาไหม้
การเผาไหม้เป็นกระบวนการออกซิเดชัน ในอากาศในบรรยากาศ (เช่นเดียวกับในสภาพแวดล้อมที่มีออกซิเจนบริสุทธิ์) พวกมันสามารถออกซิไดซ์ได้ในรูปของการเผาไหม้ ตัวอย่างสารหลายชนิด ได้แก่ องค์ประกอบที่ง่ายที่สุดของสารที่เป็นโลหะและอโลหะ สารประกอบอนินทรีย์และอินทรีย์ อย่างไรก็ตามที่สำคัญที่สุดในทางปฏิบัติคือสารที่ติดไฟได้ (เชื้อเพลิง) ซึ่งเป็นแหล่งน้ำมันสำรองตามธรรมชาติของน้ำมันก๊าซถ่านหินถ่านหินพรุ ฯลฯ ส่วนใหญ่มักเกิดจากส่วนผสมของไฮโดรคาร์บอนที่ซับซ้อนซึ่งมีออกซิเจนกำมะถันเล็กน้อย สารประกอบอินทรีย์ที่ประกอบด้วยไนโตรเจน และการรวมตัวของธาตุอื่นๆ
ออกซิเดชันทางชีวภาพ
ในทางชีววิทยา ปฏิกิริยาออกซิเดชันเป็นกระบวนการที่มาบรรจบกันเพื่อการเปลี่ยนแปลงในสถานะออกซิเดชันของอะตอมที่เกี่ยวข้องกับปฏิกิริยา และสิ่งนี้เกิดขึ้นเนื่องจากการแจกแจงทางอิเล็กทรอนิกส์ระหว่างส่วนประกอบที่มีปฏิสัมพันธ์
ข้อสันนิษฐานแรกคือในสิ่งมีชีวิตทุกชนิดมีเคมีที่ซับซ้อนที่สุด ปฏิกิริยาถูกหยิบยกขึ้นในวันที่สิบแปดศตวรรษ. นักเคมีชาวฝรั่งเศส A. Lavoisier ได้ศึกษาปัญหาดังกล่าว เขาให้ความสนใจกับความจริงที่ว่าการเผาไหม้และการเกิดออกซิเดชันในทางชีววิทยามีความคล้ายคลึงกัน
นักวิทยาศาสตร์ได้ทำการศึกษาเส้นทางของออกซิเจนที่สิ่งมีชีวิตดูดกลืนเนื่องจากการหายใจ พวกเขารายงานว่ากระบวนการออกซิเดชันเหล่านี้เป็นกระบวนการที่คล้ายคลึงกันซึ่งเกิดขึ้นในอัตราที่ต่างกัน เขาดึงความสนใจไปที่กระบวนการย่อยสลาย ซึ่งเมื่อมันปรากฏออกมา มันขึ้นอยู่กับปรากฏการณ์ของปฏิสัมพันธ์ของโมเลกุลออกซิเจน (ตัวออกซิไดซ์) กับสารอินทรีย์ที่มีอะตอมของคาร์บอนและ/หรือไฮโดรเจน อันเป็นผลมาจากการสลายตัวทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงของสสารอย่างสัมบูรณ์
มีช่วงเวลาที่นักวิทยาศาสตร์ไม่เข้าใจ รวมถึงคำถาม:
- เพราะเหตุใดจึงเกิดออกซิเดชันภายใต้สภาวะอุณหภูมิร่างกายต่ำ แม้จะอยู่นอกร่างกาย แต่ที่อุณหภูมิสูงเท่านั้น
- ด้วยเหตุผลอะไร ปฏิกิริยาออกซิเดชันเป็นปรากฏการณ์ที่ไม่ได้มาพร้อมกับการปลดปล่อยของเปลวไฟ และการปล่อยพลังงานจำนวนมากออกมา
- "การเผาผลาญ" ช่วงสารอาหารในร่างกายเป็นอย่างไรถ้าเป็น 80% (โดยประมาณ) ประกอบด้วยของเหลว - น้ำ H2O.
ประเภทของการเกิดออกซิเดชันทางชีวภาพ
ตามสภาวะแวดล้อมที่เกิดปฏิกิริยาออกซิเดชั่น แบ่งออกเป็น 2 ประเภท เชื้อราและจุลินทรีย์ส่วนใหญ่ได้รับแหล่งพลังงานโดยการเปลี่ยนสารอาหารผ่านกระบวนการไม่ใช้ออกซิเจน ปฏิกิริยานี้เกิดขึ้นโดยไม่ต้องเข้าถึงโมเลกุลออกซิเจนและเรียกอีกอย่างว่าไกลโคไลซิส
วิธีที่ซับซ้อนกว่าในการเปลี่ยนสารอาหารคือรูปแบบแอโรบิกของการเกิดออกซิเดชันทางชีวภาพหรือการหายใจของเนื้อเยื่อ การขาดออกซิเจนทำให้เซลล์ไม่สามารถออกซิไดซ์เป็นพลังงานและตายได้
รับพลังงานจากสิ่งมีชีวิต
ในทางชีววิทยา การเกิดออกซิเดชันเป็นปรากฏการณ์ที่มีหลายองค์ประกอบ:
- ไกลโคไลซิสคือระยะเริ่มต้นของสิ่งมีชีวิต heterotrophic ซึ่งโมโนแซ็กคาไรด์จะถูกแยกออกโดยไม่มีออกซิเจน และอยู่ก่อนกระบวนการหายใจระดับเซลล์
- ไพรูเวตออกซิเดชัน - การเปลี่ยนกรดไพรูวิกเป็นอะซิติลโคเอ็นไซม์ ปฏิกิริยาเหล่านี้จะเกิดขึ้นได้ก็ต่อเมื่อมีเอนไซม์ไพรูเวต ดีไฮโดรจีเนส คอมเพล็กซ์เท่านั้น
- กระบวนการสลายตัวของกรดไขมันเบตาเป็นปรากฏการณ์ที่เกิดขึ้นควบคู่ไปกับการเกิดออกซิเดชันของไพรูเวต โดยมีจุดประสงค์เพื่อแปรรูปกรดไขมันแต่ละชนิดให้เป็นอะซิติลโคเอ็นไซม์ นอกจากนี้ สารนี้ยังถูกส่งไปยังวัฏจักรกรดไตรคาร์บอกซิลิก
- รอบ Krebs - การเปลี่ยน acetylcoenzyme เป็นกรดซิตริกและสัมผัสกับการเปลี่ยนแปลงที่ตามมา (ปรากฏการณ์ของ dehydrogenation, decarboxylation และ regeneration)
- ฟอสโฟรีเลชั่นออกซิเดชันเป็นขั้นตอนสุดท้ายในการเปลี่ยนแปลงที่สิ่งมีชีวิตยูคาริโอตเปลี่ยนอะดีโนซีนไดฟอสเฟตเป็นกรดอะดีโนซีนไตรฟอสฟอริก
เกิดออกซิเดชันเป็นกระบวนการที่เกี่ยวข้องกับ:
- ปรากฏการณ์การกำจัดไฮโดรเจนออกจากสารตั้งต้นซึ่งผ่านกระบวนการออกซิเดชัน (ดีไฮโดรจีเนชัน);
- ปรากฏการณ์การหดตัวของอิเล็กตรอนของพื้นผิว;
- ปรากฏการณ์การเพิ่มโมเลกุลออกซิเจนไปยังสารตั้งต้น
ปฏิกิริยาเหนือโลหะ
การเกิดออกซิเดชันของโลหะเป็นปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นระหว่างปฏิกิริยาของธาตุจากกลุ่มของโลหะและ O2 ออกไซด์ (ออกไซด์) จะก่อตัวขึ้น
ในความหมายกว้างๆ ปฏิกิริยาที่อะตอมสูญเสียอิเล็กตรอนและสร้างสารประกอบต่างๆ เช่น สารคลอไรด์ ซัลไฟด์ ฯลฯ ในสภาพธรรมชาติ โลหะส่วนใหญ่มักจะอยู่ในสถานะออกซิไดซ์อย่างสมบูรณ์เท่านั้น รัฐ (ในรูปของแร่). ด้วยเหตุนี้เองที่กระบวนการออกซิเดชันจึงถูกนำเสนอเป็นปฏิกิริยารีดักชันของส่วนประกอบต่างๆ ของสารประกอบ สารโลหะและโลหะผสมที่ใช้งานได้จริงเมื่อทำปฏิกิริยากับสิ่งแวดล้อมจะค่อยๆ ออกซิไดซ์ - พวกมันผ่านการกัดกร่อน กระบวนการออกซิเดชันของโลหะเกิดขึ้นเนื่องจากปัจจัยทางอุณหพลศาสตร์และจลนศาสตร์
วาเลนซ์และออกซิเดชัน
สถานะออกซิเดชันคือวาเลนซี อย่างไรก็ตาม มีความแตกต่างบางอย่างระหว่างพวกเขา ความจริงก็คือว่าความจุของเคมี องค์ประกอบของมนุษย์กำหนดความสามารถของอะตอมในการสร้างพันธะเคมีจำนวนหนึ่งกับอะตอมประเภทอื่น เนื่องจากการมีอยู่ของอะตอมประเภทต่างๆ ตามลำดับ ความสามารถที่แตกต่างกันในการสร้างความสัมพันธ์ อย่างไรก็ตาม เวเลนซ์สามารถอยู่ในสารประกอบโควาเลนต์เท่านั้นและเกิดขึ้นจากการสร้างคู่อิเล็กตรอนร่วมกันระหว่างอะตอม ระดับออกซิเดชันซึ่งตรงกันข้ามกับความจุคือระดับของประจุตามเงื่อนไขที่อะตอมของสารมีอยู่ อาจเป็นค่าบวก "+" ศูนย์ "0" และค่าลบ "-" นอกจากนี้ สถานะออกซิเดชันยังบ่งชี้ว่าพันธะทั้งหมดในสารเป็นไอออนิก
ปฏิกิริยาเหนือน้ำ
กว่าสองพันล้านปีก่อน สิ่งมีชีวิตในพืชได้ดำเนินขั้นตอนที่สำคัญที่สุดขั้นตอนหนึ่งสู่จุดเริ่มต้นของวิวัฒนาการ กระบวนการสังเคราะห์แสงเริ่มเป็นรูปเป็นร่าง อย่างไรก็ตาม ในขั้นต้นมีเพียงสารที่ลดลงของประเภทไฮโดรเจนซัลไฟด์เท่านั้นที่ได้รับโฟโตออกซิเดชันซึ่งมีอยู่บนโลกในขนาดที่เล็กมาก การเกิดออกซิเดชันในน้ำเป็นกระบวนการที่นำออกซิเจนโมเลกุลจำนวนมากเข้าสู่บรรยากาศ สิ่งนี้ทำให้กระบวนการพลังงานชีวภาพสามารถย้ายไปยังระดับแอโรบิกใหม่ได้ ปรากฏการณ์เดียวกันนี้ทำให้เกิดโล่โอโซนที่ปกป้องชีวิตบนโลก