Что такое окислительный процесс

ОКИСЛИТЕЛИ И ВОССТАНОВИТЕЛИ В ХИМИЧЕСКИХ РЕАКЦИЯХ

Окислители и восстановители в химии — интересный, но очень часто вызывающий затруднения, вопрос.

К примеру, превращение с помощью нитрифицирующих бактерий атмосферного азота в легко усваиваемую растениями форму, фотосинтез, дыхание живых организмов (от бактерий до высших растений и животных) — это ОВР в природе.

А вот выплавка стали, промышленное получение аммиака из азота и водорода, гальванические процессы, электролиз – эти и огромное количество других процессов являются примерами ОВР в технике.

Так что же такое окислительно-восстановительные реакции (процессы)?

Понятие окислительно-восстановительной реакции

Окислительно-восстановительные реакции (ОВР) – это процессы, в ходе которых изменяются степени окисления атомов химических элементов.

Окисление и восстановление сопровождают друг друга. Один процесс без другого просто не существует. Почему?

Изменение степени окисления всегда означает переход электронов от одних частиц к другим. То есть одни частицы отдают электроны в ходе химического или электрохимического взаимодействия, а другие частицы принимают. Здесь срабатывает закон сохранения материи.

Окислители, восстановители. Окисление, восстановление

Итак, окисление – это процесс, в ходе которого частица передает свои электроны другой частице. В качестве таких частиц могут выступать отдельные атомы или ионы, а также молекулы.

Переход электронов принято показывать с помощью полуреакций:

Как не сложно заметить из представленных полуреакций, окислительный процесс приводит к увеличению степени окисления.

Частица, принимающая электроны, является окислителем.

Восстановление всегда сопровождается уменьшением степени окисления!

Способность к окислению и восстановлению: как определить

Существует несколько закономерностей, которые помогают определить наличие у частицы (атома, иона, молекулы) способности окисляться или восстанавливаться. Обратимся к периодической таблице химических элементов.

1) В периодах слева направо (т.е. с повышением порядкового номера элемента) восстановительные свойства простых веществ уменьшаются, а окислительные увеличиваются:

То есть в начале периода находятся явные восстановители, а в конце – окислители. Например, в III периоде активным восстановителем является натрий, а активным окислителем – хлор.

А причина данной закономерности кроется в строении атомов элементов.

У атомов элементов одного периода:

В связи с этим растет и сила притяжения электронов к ядру. В результате радиус атома уменьшается.

У элементов конца периода эта сила велика. Поэтому атомы очень трудно отдают свои электроны в химических взаимодействиях и легче принимают их от других атомов, стремясь завершить внешний энергетический уровень. Так проявляются их окислительные свойства.

Атомам элементов начала периода для завершения внешнего уровня до устойчивого 8-электронного состояния легче отдать свои немногочисленные электроны, проявив тем самым восстановительные свойства.

2) Элементы побочных подгрупп (это металлы четных рядов больших периодов) на внешнем уровне имеют 2 или 3 (реже 1 в случае «провала») электрона, поэтому легко могут их отдавать, являясь, таким образом, восстановителями:

3) Элементы одной главной подгруппы имеют одинаковое число электронов на внешнем энергетическом уровне (например, элементы VI группы – шесть электронов). Число же энергетических уровней увеличивается и, соответственно, радиусы атомов тоже увеличиваются. Это приводит к тому, что электроны внешних уровней удаляются от ядра и притяжение их к нему ослабевает.

Вот именно поэтому, восстановительная способность (способность отдавать электроны) у элементов главных подгрупп сверху вниз растет, а окислительная способность (способность принимать электроны) снижается:

Так, среди элементов главной подгруппы VI группы окислительная способность сильнее всего проявляется у кислорода, а теллур в некоторых взаимодействиях способен проявлять восстановительные свойства.

4) Определить, чем будет являться частица (или вещество, в состав которого она входит) в окислительно-восстановительном процессе, можно по значению степени окисления (с.о.).

Если атомы имеют самую наименьшую с.о., то проявят они восстановительные свойства. Если самую высокую – то окислительные. А если с.о. является промежуточной по значению, то проявят как те, так и другие свойства (в зависимости от конкретных условий химической реакции). Например:

Сильные или слабые окислители и восстановители: как определить

Часто говорят: сильный окислитель, слабый окислитель, сильный восстановитель, слабый восстановитель. А что это значит? И как определить эту самую силу?

Мерой окислительно-восстановительной способности вещества служит значение стандартного электродного потенциала: чем оно больше, тем и окислительные свойства проявляются сильнее.

Обратимся к таблице стандартных электродных потенциалов. В ней значения потенциалов расположены в порядке уменьшения:Значения восстановительных стандартных потенциалов фтора и лития таковы:

Анализируя эти полуреакции и значения восстановительных потенциалов, приходим к выводу, что сильнее других окисляют атомы фтора: они, восстанавливаясь, легче других принимают электроны. А ионы лития восстанавливаются с большим трудом.

Окислительные потенциалы фтора и лития будут иметь противоположные значения.

А говорить они будут о том, что ион фтора окисляется с очень большим трудом, а атом лития, наоборот, легко превращается при окислении в ион.

Пример . Используя таблицу стандартных электродных потенциалов, определите, какая из частиц проявляет более сильные окислительные свойства:

Решение:

Наиболее сильным окислителем будет та частица, которая лучше всего восстанавливается, а, значит, имеет более высокий восстановительный электродный потенциал.

Сравним значения восстановительных потенциалов:

Таким образом, наиболее сильным окислителем из представленных является нитрат-ион.

Основные окислители и восстановители в химии

В технике применяется огромное количество окислителей и восстановителей с разной окислительной и восстановительной способностью.

Важнейшие из них представлены в таблице:

Итак, окисление и восстановление – два взаимосвязанных процесса. Они широко представлены в природе и играют огромную роль в промышленных производствах. Окислители и восстановители очень разнообразны. Чем будет являться частица (или вещество, в состав которого она входит): окислителем или восстановителем, – можно определить, используя некоторые закономерности.

Источник

Окислительный стресс – основная опасность современности

В организме человека постоянно протекают миллионы различных биохимических превращений. Большинство из них важно для правильного функционирования всей этой сложной системы, но иногда течение некоторых реакций выходит из-под контроля, что может отрицательно сказываться на состоянии клеток и работе организма в целом. Одним из таких явлений может стать окислительный стресс.

Что такое окислительный стресс

Окислительным или оксидативным стрессом называют резкую активизацию окислительных процессов на фоне недостаточного функционирования антиоксидантной системы. Это приводит к накоплению в организме продуктов свободнорадикального окисления, которые обладают весьма высокой активностью и способностью повреждать молекулы жиров, белков, ДНК и др. Это не может пройти для человеческого организма не замеченным, особенно при длительном нарушении баланса между стимуляцией окислительных процессов с образованием свободных радикалов и снижением активности антиоксидантов. Поэтому следствием окислительного стресса становится возникновение и прогрессирование самых различных патологий.

Впервые термин «окислительный стресс» был введен Х. Зисом в 1985 году.

Свободными радикалами называют молекулы или их отдельные части, у которых присутствует на внешней орбите неспаренный электрон. Поскольку такое состояние нестабильно, а в природе все стремится к гармонии, свободные радикалы приобретают чрезвычайную химическую активность и стремятся стабилизироваться за счет присоединения недостающего электрона.

Баланс между концентрацией прооксидантных и антиоксидантных компонентов называется перекисным гомеостазом.

Механизм развития

Наиболее часто окислительный стресс становится следствием образования активных форм кислорода (АФК), хотя существуют и активные формы азота и других элементов. Существенная доля поступающего в организм человека кислорода принимает участие в реакциях митохондриального окисления.

Митохондрии представляют собой органеллы клетки, в которых производится энергия. В них содержатся дыхательные ферменты, которые посредством окислительно-восстановительных реакций расщепляют глюкозу с помощью доставленного посредством гемоглобина кислорода, что называют циклом Кребса.

Во время митохондриального окисления к молекуле кислорода происходит синхронная транспозиция 4-х свободных электронов с последующим образованием 2-х молекул воды или других соединений. Это всегда сопровождается реакциями одноэлектронного восстановления, в результате которых образуются промежуточные продукты восстановления молекулы кислорода, имеющие как радикальную, так и нерадикальную природу. Но во всех случаях они отличаются высокой реакционной способностью, благодаря чему они и были названы активными формами кислорода. К их числу относятся:

Таким образом, АФК могут взаимно превращаться друг в друга и образуются в ходе одноэлектронного восстановления молекулярного кислорода после митохондриального окисления. Но их количество напрямую зависит от содержания кислорода в клетке. Образование АФК может осуществляться различными путями, в том числе:

Каждый из перечисленных ферментов отвечает за протекание процессов окисления в определенных органах и тканях, что и обуславливает характер возникающих при окислительном стрессе последствий.

Но все клетки имеют специализированные системы для трансформации АФК в не столь реакционноспособные соединения. Тем не менее их активность может снижаться на фоне:

Эти и ряд других факторов приводят к активизации окислительных процессов и подавлению антиоксидантной системы, что провоцирует повышенное образование активных форм кислорода, которые и оказывают разрушающее действие на клетки и в частности ДНК. Это становится причиной развития ряда патологических изменений и в конечном итоге заболеваний.

Наиболее велика роль оксидативного стресса в развитии сердечно-сосудистых и нейродегенеративных заболеваний, в особенности ишемической болезни сердца, атеросклероза, ишемических изменений в головном мозге, болезней Альцгеймера и Паркинсона. Также доказано, что окислительный стресс провоцирует инфекционные, онкологические заболевания и сахарный диабет. Все эти заболевания становятся причиной смерти миллионов людей ежегодно, что требует серьезного отношения к проблеме развития окислительного стресса и поиску вариантов ее решения.

Тем не менее нельзя рассматривать процесс образования АФК только с отрицательной стороны. Они важны для организма, поскольку принимают участие в регуляции апоптоза (необходимой клеточной гибели, обеспечивающей поддержание постоянства количества клеток и избегания их неконтролируемого деления) и клеточной адаптации. Поэтому опасным стоит считать только дисбаланс между образующимися АФК и другими высоко реакционноспособными соединениями и антиоксидантами, т. е. непосредственно окислительный стресс.

Возможные последствия

Под воздействием свободных радикалов могут повреждаться белки, нуклеиновые кислоты, а также происходить разрушение мембранных фосфолипидов и образование межмолекулярных комплексов. Молекулы ДНК в основном мутируют в результате воздействия гидроксид-радикалов и реже под влиянием супероксид-анионов, что приводит к нарушениям в структуре хромосом и может стать причиной развития онкологических заболеваний, генетически обусловленных патологий, передающихся по наследству.

Белки также подвергаются окислительным видоизменениям, в результате чего они теряют свои функциональные возможности и могут трансформироваться в соединения, способные взаимодействовать с другими. Кроме того, при окислительном стрессе существенно активизируются процессы гликозилирования белков, что приводит к повреждению тканей, что характерно для сахарного диабета.

Отражается оксидативный стресс и на структуре липидов, которые являются элементами клеточных мембран. Свободные радикалы провоцируют разрыв их молекулы, что приводит к повышению проницаемости клетки для разных соединений, некоторые из которых могут оказывать гибельное цитотоксическое действие на них. Из клетки вымываются важные микроэлементы, но увеличивается концентрация солей, а также наблюдается снижение внутриклеточного pH.

pH крови является одним из наиболее стабильных показателей для человеческого организма. Венозная кровь содержит углекислоту, подлежащую выведению из организма легкими, и имеет pH – 7,35. В то же время для артериальной крови характерно pH – 7,4. Другие биологические жидкости также имеют свой нормальный уровень pH: для слюны это 6,8—7,4, для мочи – 6—7, для желудочного сока – 1,53—1,67.

Организм стремится поддерживать постоянный кислотно-щелочной баланс всех биологических жидкостей, смещение которого в ту или иную сторону немедленно отражается на самочувствии и состоянии здоровья. Увеличение кислотности называют ацидозом, а сдвиг pH в сторону щелочной реакции – алкалозом. Оба состояния являются опасными для организма и требуют принятия соответствующих мер, но чаще наблюдается смещение pH в кислую сторону, т. е. закисление организма.

Изменение кислотно-щелочного баланса организма приводит к нарушениям протекания нормальных биохимических процессов в клетках и их гибели. В результате возникают изменения в работе внутренних органов. При окислительном стрессе в первую очередь меняется pH мочи и слюны.

Процессы окисления липидов также провоцируют повышение синтеза простагландинов, известных науке в качестве мощных индукторов сокращения или расслабления гладкой мускулатуры стенок сосудов, бронхов, матки, ЖКТ и ряда других физиологических изменений. Их окисление может становиться причиной развития нарушений микроциркуляции, ишемии, глаукомы, катаракты, цирроза.

Таким образом, признаками возникновения окислительного стресса могут выступать:

Окислительный стресс также становится причиной преждевременного старения, ухудшения состояния кожи, волос и ногтей.

Заболевания ЦНС

Окислительный стресс оказывает мощное влияние на состояние головного мозга, поскольку он не только является одним из основных потребителей кислорода в организме, но и во многом состоит из липидов, которые крайне чувствительны к действию свободных радикалов. Под их действием наблюдается нарушение нейроциркуляции, ослабление связей между частями головного мозга, что и приводит к возникновению когнитивных, а также поведенческих расстройств.

Особенно чувствительны к действию оксидативного стресса клетки гиппокампа, миндалин, префронтальной коры и мозжечка.

Сегодня существуют свидетельства, подтверждающие повышение риска развития заболеваний центральной нервной системы, в результате развития окислительного стресса. Его следствием могут стать:

Заболевания сердечно-сосудистой системы

Окислительный стресс крайне негативно сказывается на работе сердечно-сосудистой системы. Существуют убедительные доказательства повреждения свободными радикалами эндотелиальных клеток и развитие на фоне этого нарушений состояния сосудистых стенок.

В результате создаются весомые предпосылки для возникновения атеросклероза, при котором в толще стенок кровеносных сосудов образуются холестериновые бляшки, что приводит к уменьшению просвета сосуда. Вследствие подобных изменений повышается артериальное давление, что становится причиной развития гипертонии, а затем и ишемической болезни сердца, сопровождающейся нарушением движения крови в коронарных сосудах. Результатом их закупорки может стать инфаркт миокарда, для которого характерна выраженная ишемия с последующим некрозом части миокарда. При отсутствии своевременной медицинской помощи инфаркт миокарда способен унести жизнь больного.

Ишемия миокарда развивается, когда потребность сердечной мышц в кислороде превышает его поступление.

Сахарный диабет

Активные формы кислорода способны оказывать отрицательное влияние на состояние β-клеток поджелудочной железы, что сказывается на продукции инсулина. Кроме того, они активизируют процессы гликозилирования белков. В результате не только может ухудшаться течение сахарного диабета с развитием осложнений, но и формироваться предпосылки для его возникновения.

Остеопороз

Остеопорозом называют заболевание, при котором кости теряют свою исходную прочность, становятся более пористыми и в результате более хрупкими. Это резко увеличивает риск получения переломов, в том числе компрессионных переломов позвоночника. Данное заболевание наиболее характерно для лиц пожилого возраста, но мало кто задумывается, что истоки его развития также лежат в окислительном стрессе.

При оксидативном стрессе потребляемые с пищей минералы не успевают доставляться к костям, а используются для решения более неотложных задач – нейтрализации кислот и повышения pH до нормальных показателей. В результате костная ткань, не имея возможности должным образом обновляться, постепенно истончается, разрушаются присутствующие внутри костей костные перегородки, что приводит к увеличению пор и повышению хрупкости кости.

Онкологические заболевания

Повреждение ДНК при окислительном стрессе может становиться причиной нарушения процессов из репликации и транскрипции, что приводит к возникновению мутаций и возможному преобразованию нормальных клеток в злокачественные. При этом напомним, что любой воспалительный процесс сопровождается повышением активности окисления и усиленной продукцией активных форм кислорода. Они могут инициировать процесс синтеза противовоспалительных цитокинов, а также играют значительную роль в активации онкогенов.

Поэтому на фоне длительно текущего воспалительного процесса или окислительного стресса, обусловленного действием других факторов, резко увеличивается риск образования злокачественных клеток, которые не поддаются апоптозу, а напротив, активно делятся и растут. Это приводит к формированию злокачественных опухолей разного типа и степени агрессивности, в том числе способных уносить жизнь человека в течение нескольких лет после образования.

Антиоксиданты, как средства для борьбы с окислительным стрессом

Как уже говорилось, в организме постоянно образуются свободные радикалы и постоянно уничтожаются антиоксидантами. Окислительный стресс – следствие нарушения этого баланса. Таким образом, антиоксиданты являются естественной защитой организма от старения и развития патологических изменений в организме.

Часть антиоксидантов вырабатывается организмом, другие же поступают в него вместе с пищей. Первые представляют собой ферменты или высокомолекулярные белки. Они принимают участие в раскладывании вырабатывающихся внутри клетки свободных радикалов нерадикальным путем или связывают их, чтобы они не смогли нанести ей повреждений. Антиоксиданты, поступающие с пищей, действуют по типу «ловушки». Они отдают свои электроны свободным радикалам, тем самым нейтрализуя их.

Каждый антиоксидант имеет свою локализацию в организме и механизм действия на свободные радикалы. Поэтому один и тот же антиоксидант не способен инактивировать все присутствующие свободные радикалы.

В процессе эволюции сформировалось 2 системы защиты от АФК. Первичная, в состав которой входят как ферментные, так и неферментные антиоксиданты, препятствуют образованию новых радикалов. Элементы вторичной системы захватывают уже сформировавшиеся радикалы и образуют комплекс, который включается в работу при возникновении окислительных повреждений клеточных структур для быстрого их восстановления.

К числу ферментных антиоксидантов принадлежат:

Неферментными антиоксидантами являются:

Таким образом, естественным способом защиты от свободных радикалов является снижение количества потребляемых вредных продуктов, в особенности фастфуда, полуфабрикатов и пр., с увеличением объема съедаемых ежедневно свежих фруктов или овощей. Наибольшее количество антиоксидантов содержится в помидорах, цитрусовых, орехах, винограде, фруктах, ягодах и овощах оранжевого и красного цвета. Полезным будет увеличить количество потребляемой рыбы и других продуктов, богатых на омега-3.

«Живая» вода – сильнейший антиоксидант

«Живой» водой или католитом называют воду, получившую в результате электролиза отрицательный редокс-потенциал и pH в рамках 8,5—10,5. Она не отличается от обычной ни по цвету, ни по запаху, ни по вкусу. Тем не менее отличия все таки есть и заключаются они в окислительно-восстановительном потенциале, а именно в наличии «лишних» электронов у молекул, которые и присоединяются к свободным радикалам, нейтрализуя их.

Таким образом, с точки зрения физики такая вода является восстановителем, а само название «живая» является данью исконно русским традициям. Главным ее достоинством является то, что взаимодействуя со свободными радикалами, она сама не превращается в таковые, становясь полностью нейтральной, а также стимулирует синтез в организме собственных антиоксидантов, усиливает действие имеющихся.

Электролиз – физико-химический процесс, заключающийся в получении под действием электрического тока и специальных электродов или с помощью особых минералов двух разнозаряженных веществ, в нашем случае католита (живой воды с отрицательным потенциалом и щелочной реакцией) и анолита (мертвой воды с положительным потенциалом и высокой кислотностью).

Хотя еще нет систематизированных данных, подтверждающих эффективность живой воды, практика показывает, что она является сильным и при этом многофункциональным антиоксидантом, поскольку не только сама проявляет антиоксидантные свойства, но и многократно усиливает действие ферментных и неферментных антиоксидантов.

Кроме того, что она является прекрасным и целиком безопасным антиоксидантом, живая вода:

В природе также существуют источники «живой» воды, более известные нам в качестве минеральных. Но мало кто знает, что кроме уникального набора солей, они ионизированы, т. е. имею положительный или отрицательный заряд. Это и объясняется тот факт, что ранее люди стремились попасть на воды, чтобы поправить свое здоровье, а сегодня бутилированная минеральная вода не оказывает такого выраженного эффекта. Дело в том, что большинство ионов нейтрализуется в течение двух суток, что делает бутилированную минералку далеко не такой полезной, как вода, выпитая непосредственно из того же источника.

Одновременно с получением живой воды образуется так называемая мертвая вода или анолит. Они также по вкусовым свойствам не отличается от обычной, но имеет положительный окислительно-восстановительный потенциал. Это обеспечивает приобретение ею выраженных бактерицидных свойств, что делает такую воду весьма эффективным средством для лечения различных инфекционных заболеваний, дезинфекции помещений и пр.

Получить живую и мертвую воду можно в домашних условиях с помощью бытовых активаторов или ионизаторов. Процесс занимает 10—40 минут, после чего оба типа воды готовы к употреблению.

Но употреблять живую и мертвую воду нужно правильно. Прежде всего, следует понимать, что в зависимости от способа получения и конкретного прибора она имеет разные окислительно-восстановительные потенциалы. Если они не высоки, такую воду, особенно живую, можно использовать для ежедневного применения. Но вода с высоким отрицательным зарядом должна использоваться короткими курсами, в противном случае она также сможет нанести вред организму. Этим и объясняется тот факт, что одни хвалят живую воду и считают ее панацеей, а другие не заметили никаких изменений в самочувствии. Все дело в правильном подборе величины восстановительного потенциала и дозе.

Профилактика окислительного стресса

Значительно лучше своевременно заботиться о поддержании здоровья в норме, чем затем бороться с последствиями оксидативного стресса. Для этого важно обеспечить организм достаточным поступлением в организм естественных антиоксидантов с пищей, т. е. стараться придерживаться здорового питания с выделением существенной доли в ежедневном рационе свежим фруктам и овощам.

Важно отказаться от курения и злоупотребления алкоголем. Тем не менее красное вино может оказаться полезным в профилактике окислительного стресса, так как содержит биологически активные вещества, которые обладают антиоксидантными свойствами. Поэтому бокал красного вина в день вполне допустим.

Также рекомендуется повысить уровень физической активности, но отказаться от изнурительных тренировок, так как они заставляют организм испытывать гипоксию. При этом не лишним будет периодически контролировать уровень сахара в крови, особенно лицам старше 45 лет. Не стоит забывать и о роле ультрафиолета в развитии окислительного стресса. Поэтому рекомендуется использовать солнцезащитные кремы, причем не только в летнее время, но и в течение года.

Таким образом, с окислительным стрессом сегодня может столкнуться каждый, поскольку вызывающие его факторы крайне распространены и избежать их негативного влияния невозможно. Поэтому каждый, особенно жители мегаполиса, нуждаются в использовании антиоксидантов даже на фоне отсутствия проблем со здоровьем, а при возникновении таковых следует обратиться к врачу и на фоне лечение имеющегося заболевания, обязательно обогатить ежедневный рацион природными источниками антиоксидантов, в качестве которых также может выступать «живая» вода.

Источник