במאמר זה נשקול את תופעת החמצון. זהו מושג רב מרכיבים המופיע בתחומי מדע שונים, כמו ביולוגיה וכימיה. נכיר גם את מגוון התהליך הזה ואת מהותו.
מבוא
מנקודת המבט הבסיסית והמקורית, חמצון הוא תהליך בעל אופי כימי, המלווה בעלייה בדרגת החמצון האטומי של החומר שעובר אותו. תופעה זו מתרחשת עקב העברת אלקטרונים מאטום אחד (מפחית ותורם) לשני (מקבל ומחמצן).
יחידה טרמינולוגית זו הוכנסה למחזור של הכימיה בתחילת המאה ה-19, והאקדמיה V. M. סורגין ליצירת ייעוד המציין את האינטראקציה של חומרים עם חמצן מאוויר אטמוספרי.
במקרים מסוימים, חמצון של מולקולה מלווה ביצירת חוסר יציבות במבנה החומר ומביא להתפרקותו למולקולות בעלות יציבות גדולה יותר ובגדלים קטנים. העובדה היא שניתן לחזור על תהליך זה במספר רמות טחינה שונות. כלומר, החלקיק הקטן יותר שנוצר יכול גם כןבעלי דרגת חמצון גבוהה יותר מהחלקיקים האטומיים שהיו המקוריים באותו חומר, אך גדולים ויציבים יותר.
בכימיה יש את הרעיון של דרגת החמצון הנמוכה והגבוהה ביותר. זה מאפשר לנו לסווג אטומים לפי יכולתם להפגין תכונה זו. מצב החמצון הגבוה ביותר מתאים למספר הקבוצה שבה נמצא היסוד. הדרגה הנמוכה ביותר, ככלל, נקבעת על ידי התאמת מספר זוגי ואי-זוגי: 8 הגבוה ביותר=2 הנמוך ביותר, 7 הגבוה ביותר=הנמוך ביותר 1.
בעירה
בעירה היא תהליך חמצון. באוויר אטמוספרי (כמו גם בסביבה של חמצן טהור) ניתן לחמצן אותם בצורה של בעירה. מגוון חומרים יכולים לשמש דוגמה: היסודות הפשוטים ביותר של חומרים של מתכות ולא מתכות, תרכובות אנאורגניות ואורגניות. עם זאת, המשמעותי ביותר מבחינה מעשית הוא החומר הדליק (דלק), ביניהם הרזרבות הטבעיות של נפט, גזים, פחם, כבול וכו'. לרוב הם נוצרים מתערובת מורכבת של פחמימנים עם חלק קטן של חמצן, גופרית, תרכובות אורגניות המכילות חנקן, כמו גם תכלילים עקבות של יסודות אחרים.
חימצון ביולוגי
בביולוגיה, תגובות חמצון הן תהליכים שמתכנסים יחד לשינוי במצב החמצון של האטומים המעורבים בתגובה, וזה קורה עקב ההתפלגות האלקטרונית בין המרכיבים המקיימים אינטראקציה.
ההנחה הראשונה היא שבכל היצורים החיים הכימי המורכב ביותר. תגובה, הועלתה בשמונה עשרהמֵאָה. הכימאי הצרפתי א' לבואזיה חקר את הבעיה. הוא הפנה את תשומת הלב לעובדה שמהלך הבעירה והחמצון בביולוגיה דומים זה לזה.
מדענים ערכו מחקר על נתיב החמצן שנספג על ידי יצור חי עקב הנשימה. הם דיווחו שתהליכי החמצון הללו הם תהליכים דומים המתרחשים בקצבים שונים. הוא הפנה את תשומת הלב לתהליך הפירוק, אשר, כפי שהתברר, מבוסס על תופעת האינטראקציה של מולקולת חמצן (חומר מחמצן) עם חומר אורגני הכולל אטומי פחמן ו/או מימן. כתוצאה מהפירוק, מתרחשת טרנספורמציה מוחלטת של החומר.
היו רגעים של התהליך שמדענים לא הצליחו להבין עד הסוף, כולל שאלות:
- מאיזו סיבה מתבצע חמצון בתנאים של טמפרטורת גוף נמוכה, למרות נוכחותו מחוץ לגוף, רק בטמפרטורה גבוהה.
- מאיזו סיבה, תגובות חמצון הן תופעות שאינן מלוות בשחרור של להבה, כמו גם שחרורים עצומים של אנרגיה משוחררת.
- איך ה"שריפה" של מגוון החומרים התזונתיים בגוף, אם היא מורכבת ב-80% (בערך) מנוזל - מים H2O.
סוגי חמצון ביולוגי
לפי תנאי הסביבה בה מתרחש החמצון, הוא מתחלק לשני סוגים. רוב הפטריות והמיקרואורגניזמים משיגים משאבי אנרגיה על ידי המרת חומרים מזינים בתהליך אנאירובי. התגובה הזומתרחשת ללא גישה לחמצן מולקולרי, ונקראת גם גליקוליזה.
דרך מורכבת יותר להמרת חומרים מזינים היא הצורה האירובית של חמצון ביולוגי או נשימה של רקמות. המחסור בחמצן גורם לתאים לא להתחמצן לאנרגיה והם מתים.
קבלת אנרגיה על ידי אורגניזם חי
בביולוגיה, חמצון הוא תופעה מרובת רכיבים:
- גליקוליזה היא השלב הראשוני של אורגניזמים הטרוטרופיים, שבמהלכו מתפצלים חד-סוכרים ללא חמצן, והוא מקדים את תחילת תהליך הנשימה התאית.
- חימצון פירובט - הפיכת חומצות פירוביות לאצטילקואנזים. תגובות אלו אפשריות רק בהשתתפות מתחמי אנזימים פירובאט דהידרוגנאז.
- תהליך הפירוק של חומצות שומן בטא הוא תופעה המתבצעת במקביל לחמצון פירובט, שמטרתו עיבוד של כל חומצת שומן לאצטילקואנזים. יתר על כן, חומר זה מסופק למחזור החומצה הטרי-קרבוקסילית.
- מעגל קרבס - הפיכת אצטילקואנזים לחומצות לימון וחשיפה נוספת לטרנספורמציה שלאחר מכן (תופעות של דה-הידרוגנציה, דה-קרבוקסילציה והתחדשות).
- זרחון חמצוני הוא השלב האחרון בטרנספורמציה שבה אורגניזם אוקריוטי ממיר אדנוזין דיפוספט לחומצות אדנוזין טרי-פוספוריות.
מכאן נובע שחמצון הוא תהליך הכולל:
- תופעהסילוק מימן מהמצע, שעובר חמצון (דהידרוגנציה);
- תופעת רתע אלקטרונים מצע;
- תופעת הוספה של מולקולת חמצן למצע.
תגובה על מתכות
חמצון של מתכת היא תגובה שבמהלכה, באמצעות אינטראקציה של יסוד מקבוצת המתכות ו-O2, נוצרות תחמוצות (תחמוצות).
במובן הרחב, תגובה שבה אטום מאבד אלקטרון ויוצר תרכובות שונות, למשל, חומרים של כלורידים, סולפידים וכו'. במצב הטבעי, לרוב מתכות יכולות להיות רק במצב מחומצן לחלוטין מדינה (בצורת עפרה). מסיבה זו, תהליך החמצון מוצג כתגובת הפחתה של מרכיבים שונים של התרכובת. חומרים בשימוש מעשי של מתכות וסגסוגות שלהם, בעת אינטראקציה עם הסביבה, מתחמצנים בהדרגה - הם עוברים קורוזיה. תהליכי חמצון מתכות מתרחשים עקב גורמים תרמודינמיים וקינטיים.
Valence and oxidation
מצב החמצון הוא הערכיות. עם זאת, יש הבדל מסוים ביניהם. העובדה היא כי הערכיות של chem. היסוד אדם קובע את יכולתו של אטום ליצור מספר מסוים של קשרים כימיים עם סוגים אחרים של אטומים. זאת בשל נוכחותם של סוגים שונים של אטומים, בהתאמה, יכולת שונה ליצור מערכת יחסים. עם זאת, ערכיות יכולה להיות רק בתרכובת קוולנטית והיא נוצרת עקב יצירת זוג אלקטרונים משותף בין אטומים. תוֹאַרחמצון, בניגוד לערך, היא מידת המטען המותנה שיש לאטום של חומר. זה יכול להיות חיובי "+", אפס "0" ושלילי "-". כמו כן, מצב החמצון מצביע על כך שכל הקשרים בחומר הם יוניים.
תגובה על פני מים
לפני יותר משני מיליארד שנים, אורגניזמים צמחיים עשו את אחד הצעדים החשובים ביותר לקראת תחילת האבולוציה. תהליך הפוטוסינתזה החל להתגבש. עם זאת, בתחילה רק חומרים מופחתים מסוג מימן גופרתי היו נתונים לפוטוקסידציה, שהיו קיימים על פני כדור הארץ בגדלים קטנים במיוחד. חמצון מים הוא תהליך שהכניס כמות משמעותית של חמצן מולקולרי לאטמוספירה. זה אפשר לתהליכים ביו-אנרגטיים לעבור לרמה אירובית חדשה. אותה תופעה אפשרה היווצרות של מגן אוזון המגן על החיים על פני כדור הארץ.
