Зачем нужен процесс окисления в организме. Биологическое окисление
Многие разрушительные процессы в нашей жизни связаны с окислением, то есть происходят при участии кислорода. Однако окислительные реакции просто необходимы для нормальной жизнедеятельности организма. Они влияют на образование энергии, восстановление, процессы гомеостаза и другие жизненно важные функции. Главное здесь - сохранить баланс и не допустить перехода границы, когда окисление превращается в нашего врага.
Процессы, происходящие в организме человека, неизменно связаны с реакцией окисления. При этом сложные вещества распадаются (окисляются) до более простых и выделяется энергия, необходимая для жизни.
Однако результаты подобных окислительных процессов могут иметь два итога: положительный и отрицательный.
Результаты окислительных реакций
Баланс окислительных и антиокислительных процессов - залог долголетия
Необходимое условие нормального функционирования всех систем организма и здоровья человека - баланс между окислительными и антиокислительными процессами. Смещение этого явления в ту или другую сторону может являться как патологией, так и приспособительной реакцией.
Если окислительных процессов становится больше, то нашему организму приходится нелегко. Большое количество свободных радикалов (которые образуются в процессе окисления) вызывает оксидативный стресс, при котором поражаются здоровые клетки организма.
Это может привести к развитию злокачественных опухолей, преждевременному старению и серьезным заболеваниям. Различные вирусы активнее проникают в организм, так как он не защищен, а мы становимся более уязвимы для инфекционных заболеваний.
Когда организм ослаблен, вредное UV-А-излучение запускает процесс окисления, нанося непоправимый вред как коже, так и организму в целом. От этого страдают иммунная система и ДНК.
Факторы нарушения баланса окислительных процессов:
- Ионизирующее излучение.
- Химические препараты.
- Бактерии, вирусы.
- Алкоголь, курение.
- Загрязнение окружающей среды.
- Неправильное питание.
Одно из решений - восстановление или своевременное поддержание баланса между окислительными и антиокислительными процессами. Это возможно при регуляции процессов окисления с помощью рациона питания и качественного улучшения образа жизни.
Особенно об этом необходимо помнить жителям крупных городов, где выхлопные газы и неправильное питание разрушают антиоксидантную систему в организме. Внутри человека постепенно накапливаются вредные вещества, которые приводят к оксидативному стрессу и вызывают различные патологии.
Антиоксиданты - полноценная защита организма
На сегодня известно более 3000 разнообразных антиоксидантов. Обычно их подразделяют на 4 группы:
- Биофлавоноиды растений. Действуют как ловушка: захватывают свободные радикалы и токсины и выводят их из организма. С их помощью можно снизить риск возникновения сердечно-сосудистых и онкологических заболеваний. Источник: катехин, который содержится в зеленом чае, красном вине, цитрусовых.
- Витамины. Поглощают излишнюю энергию агрессивных свободных радикалов, а также прекращают или затормаживают развитие цепной реакции. Бывают двух видов: жирорастворимые (защита жировой ткани) и водорастворимые (защита мышц и сосудов). Например, витамины А, Е, С, бета-каротин.
- Минеральные вещества, которые человек не способен вырабатывать сам. Поддерживают нормальный уровень витаминов в организме и защищают от инфекций. Пример: селен, марганец, кальций, цинк.
- Ферменты. Выступают в роли катализаторов, обеззараживая и ускоряя процесс вывода свободных радикалов. Пример: фермент коэнзим Q10.
В зависимости от происхождения можно выделить два вида антиоксидантов:
- Природные (содержатся в продуктах питания и лучше всего усваиваются организмом).
- Синтетические (препараты, производящиеся фармацевтической промышленностью).
Самый богатый источник антиоксидантов - растительная пища. Кстати, кожура, семечки и корневища наиболее богаты этими ценными элементами. Некоторые ученые предполагают, что самые эффективные антиоксиданты - это биофлавоноиды, которые находятся в кожуре ярко окрашенных растений, например в винограде, свекле, чернике, баклажанах, капусте фиолетового цвета.
Основными источниками сильнейших антиоксидантов являются:
- апельсины, абрикосы, папайя, арбузы, мандарины, нектарины, киви, манго, орехи;
- морковь, горчица, семена подсолнечника, тыква, шпинат;
- брокколи, свекла, кукуруза, томаты, спаржа, шпинат;
- тунец, птица, говядина, устрицы, зерновой хлеб, молочные продукты;
- красное мясо, устрицы, фасоль, красная рыба.
Баланс антиоксидантных и окислительных процессов является незаменимой профилактикой многих опасных заболеваний. Продлите свою молодость и отличное настроение с помощью регулярного приема антиоксидантов!
| Рубрики: | |
Две цитаты из журнала "Наука и жизнь" из статьи "Блеск и нищета антиоксидантов" ():
"Эффективность антиоксидантов зависит от дозы препарата не линейно. В больших концентрациях антиоксиданты начинают действовать в обратном направлении и не тормозят, а, напротив, ускоряют свободнорадикальные реакции. Дело в том, что, взаимодействуя со свободным радикалом, антиоксидант сам превращается в радикал, только менее активный. Пока таких радикалов мало, они не опасны для организма. Но если их накапливается слишком много, вклад в окисление становится весомым."
"В живом организме действует физико-химическая регуляторная система, которая поддерживает необходимый уровень свободнорадикальных реакций, регулирует обмен мембранных липидов и скорость расходования антиоксидантов. Как работает эта система? Если уровень антиоксидантов по каким-то причинам повышается, то процессы окисления в клеточных мембранах замедляются. В результате мембраны обогащаются ненасыщенными липидами, которые окисляются легче, чем насыщенные. Увеличение окисляемости ведет в свою очередь к более быстрому расходованию антиоксидантов, и все параметры возвращаются к норме. Если концентрация антиоксидантов падает, то процесс идет в обратном направлении, выводя клетку на оптимальную скорость окисления. Существование такой системы регуляции обнаружено практически во всех изученных внутриклеточных и клеточных мембранах клеток животных, растительных организмов и микроорганизмов. Изменение состава липидов и степени их окисленности приводит к изменению текучести различных слоев мембраны. А это влияет на активность связанных с мембраной белков - ферментов, рецепторов. Процесс релаксации системы к нормальному состоянию может занимать от считанных минут до нескольких суток."
УДК 373.167.1
З. Н. Хисматуллина
СУЩНОСТЬ, НАПРАВЛЕНИЕ И РОЛЬ ОКИСЛИТЕЛЬНО-ВОССТАНОВИТЕЛЬНЫХ РЕАКЦИЙ В БИОЛОГИИ И МЕДИЦИНЕ
Ключевые слова: окисление, восстановление, метаболизм, диссимиляция, окислительно-восстановительный
потенциал.
Показана роль окислительно-восстановительных реакций в обмене веществ и энергии, происходящем в организме человека и животных. Усвоение общих закономерностей протекания данного вида реакций необходимо для последующего изучения свойств неорганических и органических веществ и химических процессов в целом, протекающих в организме, что дает возможность изучать и управлять всей жизнедеятельностью человека.
Key words: oxidation, reduction, metabolism, dissimilation, redox-potential.
The role of the redox-reactions in the energy-exchange and substance-exchange that occur in humans and animals is shown. The understanding of the general laws of the occurrence of this reaction type is necessary for the further studying of the properties of the organic and nonorganic materials and chemical processes, which occur in the human body, in general. It makes it possible to study and control the whole of human life.
На протяжении всей истории прослеживается взаимосвязь медицины и химии, симбиоз этих двух наук приводил и приводит к обогащению и наибыстрейшему развитию каждой из них. Поэтому изучение химии или хотя бы знание ее основ, необходимо не только в медицинском вузе, но и всем тем, кто получает высшее профессиональное образование.
Нужно отметить, что в нашей стране очень развита молекулярная биология и генетика, уделяется большое внимание организации комплексных научных исследований по раскрытию физико-химической природы жизни, познанию сущности таких важнейших проявлений жизнедеятельности, как обмен веществ, мышление, память, наследственность, иммунитет и т.д. От результатов этих исследований зависят теоретическое вооружение и прогресс практической медицины в ближайшем будущем. Чтобы квалифицированный медико-социальный работник мог следить за ходом этих комплексных исследований, оценивать их значение для практической медико-социальной работы, он должен быть вооружен знаниями не только в области медицины, но и химии. Ведь в основе обмена веществ в конечном итоге лежат химические процессы - диффузия, растворение, диализ, гидролиз, испарение, конденсация и др.
Для специалистов междисциплинарных профессий, тем более медико-социальных работников высшей квалификации изучение элементов химии необходимо уже потому, что:
78 элементов входят в состав живых организмов;
44 элемента входят в состав применяемых в современной медицине лекарственных препаратов;
Изотопы 38 элементов в настоящее время используются для радиодиагностики и радиотерапии;
Более 70 элементов входят в состав материалов, применяемых для изготовления современной аппаратуры, приборов и инструментов .
Без достаточных познаний в области химии невозможно было бы эффективное использование всего арсенала средств целенаправленного воздействия на организм человека. Чтобы воспринять, систематизировать и осмыслить весь поток информации в области медицины и химии, необходимо опираться на определенный теоретический фундамент.
Более 70 % известных в настоящее время элементов входят в состав человеческого организма. В организме человека постоянно происходят различные химические реакции, в ре-
зультате чего образуется огромное количество самых разных химических соединений. Исходные вещества, необходимые для этого, поступают в организм с вдыхаемым воздухом, с пищей и питьевой водой. Основная часть синтезированных соединений используется в качестве строительных материалов или источников энергопитания и обеспечивает организму человека рост и развитие. Та же часть синтезированных соединений, которую можно рассматривать как шлаки или отходы этого процесса, выводится из организма.
В результате жизнедеятельности организма синтезируются вещества, которые являются химическими соединениями кислорода, углерода, водорода, азота, серы и фосфора. Кроме этих шести химических элементов, в метаболизме (обмене веществ) активно участвуют еще по меньшей мере двадцать шесть элементов: кальций, калий, натрий, хлор, железо, магний, фтор и так называемые микроэлементы - алюминий, бор, кремний, ванадий, хром, марганец, кобальт, никель, цинк, медь, мышьяк, бром, селен, стронций, молибден, кадмий, олово, йод, свинец. Обнаружены также еще сорок шесть элементов, правда, в ничтожно малых количествах и вероятно, они тоже играют важную физиологическую роль, которая пока до конца не выяснена.
Обмен веществ (метаболизм), происходящий в живом организме, включает огромное количество непрерывно протекающих и взаимосвязанных реакций. Живые организмы усваивают поступающие к ним из окружающей среды (главным образом с пищей) вещества, изменяют их химический состав и используют новые химические соединения для создания, обновления элементов ткани и аккумулирования больших запасов химической энергии. Поэтому процесс обмена веществ неразделим с сопутствующим ему процессом обмена энергии. Этот процесс обмена веществ и энергии является самым характерным признаком жизни, с его прекращением останавливается и жизнь.
Систематическое изучение обмена веществ, происходящего в организме человека и животных, было начато еще в конце XVIII века А.Лавуазье. С именем этого ученого, а также еще и М.В. Ломоносова связано установление роли кислорода в процессах жизнедеятельности организмов и в процессах горения. А.Лавуазье впервые доказал, что в организме человека и животных происходит непрерывное окисление органических веществ кислородом воздуха, с образованием диоксида углерода и одновременным выделением так называемой «животной теплоты». Он в числе первых пытался установить связь между количеством потребляемого человеком кислорода и выделяющегося диоксида углерода, показать, как влияют на интенсивность поглощения и генерации этих двух газов режимы питания и труда, температура окружающей среды.
В живом организме осуществляется целый ряд физико-химических процессов - испарение и конденсация, растворение и кристаллизация, электролитическая диссоциация и образование молекул из ионов и т. д. - многие сотни тысяч биохимических реакций, протекающих в зависимости от многочисленных условий внешней и внутренней среды. Но тем не менее, благодаря тонкой нейро-гуморальной регуляции достигается поразительное постоянство внутренней среды организма (гомеостазис).
Как известно, все химические реакции можно разделить на две большие группы:
1) обменные реакции, при которых происходит лишь рекомбинация атомов или ионов, но не имеет места изменение их степени окисления;
2) окислительно-восстановительные реакции, при которых происходит частичный или полный переход электронов от одних атомов или ионов к другим с соответствующим изменением степени окисления этих атомов или ионов .
Окислительно-восстановительные реакции играют исключительную роль в обмене веществ и энергии, происходящем в организме человека и животных. Первые представления о сущности окислительно-восстановительных реакций были введены выдающимся русским ученым Л.В.Писаржевским (1914 г.).
Окислительно-восстановительными реакциями называются химические реакции, при протекании которых степени окисления элементов изменяются. Изменение степеней окисле-
ния в ходе окислительно-восстановительных реакций обусловлено полным или частичным переходом электронов от атомов одного элемента к атомам другого элемента.
Атомы или ионы, отдающие электроны в ходе окислительно-восстановительного процесса другим атомам или ионам, называются восстановителями. При этом данный атом или ион окисляется, т.е. повышает свою степень окисления.
Атомы или ионы, присоединяющие к себе электроны, называются окислителями. При этом сам атом или ион восстанавливается, т.е. снижает свою степень окисления.
Реакция окисления неотделима от реакции восстановления, и оба эти процесса необходимо рассматривать в неразрывном единстве. При любой окислительно-восстановительной реакции алгебраическая сумма степеней окисления атомов остается неизменной .
Многие окислительно-восстановительные реакции сводятся только к взаимодействию окислителя и восстановителя. Но чаще всего, если реакция осуществляется в водной среде, на ход окислительно-восстановительного процесса оказывает большое влияние взаимодействие реагентов с ионами водорода и гидроксила воды, а также присутствующих в растворе кислот и щелочей. Иногда влияние среды на ход окислительно-восстановительного процесса столь велико, что некоторые реакции могут осуществляться только в кислой или щелочной среде. От кислотно-щелочного баланса среды зависит направление окислительно-восстановительной реакции, количество электронов, присоединяемых молекулой (ионом) окислителя и отдаваемых молекулой (ионом) восстановителя и т. д. Например, реакция между иодидами и иодатами с выделением элементов иода протекает только в присутствии сильных кислот, а в сильно щелочной среде при нагревании может протекать обратная реакция.
Обмен веществ, в котором окислительно-восстановительные процессы играют столь значительную роль, имеет две стороны: 1) пластическую, сводящуюся к синтезу сложных органических веществ, необходимых организму в качестве «строительных материалов» для обновления тканей и клеток, из веществ, которые поступают главным образом с пищей (это анаболические процессы, или процессы ассимиляции, требующие затрат энергии); 2) энергетическую, сводящуюся к распаду (окислению) сложных высокомолекулярных веществ, играющих роль биологического топлива, до более простых - в оды, диоксида углерода и т. д. (это катаболические процессы, или процессы диссимиляции, сопровождающиеся освобождением энергии).
Окислительно-восстановительные реакции являются необходимыми звеньями в сложной цепи как анаболических, так и катаболических процессов, но их роль особенно велика как основных источников энергии для живого организма. Организмы, существующие в аэробных условиях (т. е. в окислительной атмосфере кислорода воздуха), получают эту энергию за счет процесса дыхания, в результате которого поступающие в организм питательные вещества в клетках и тканях окисляются до диоксида углерода, воды, аммиака, мочевины и других продуктов жизнедеятельности, характеризующихся сравнительно небольшими значениями энергии и высокими значениями энтропии (от греч. - поворот, превращение - это мера беспорядка системы, состоящей из многих элементов).
В основе процессов дыхания лежит окислительно-восстановительная реакция, при которой молекула диатомного кислорода образует две молекулы воды. В процессе внешнего дыхания кислород воздуха связывается с гемоглобином и в форме оксигемоглобина доставляется с потоком крови к капиллярам тканей. В процессе тканевого, или клеточного дыхания, ткани и клетки поглощают этот кислород, за счет которого осуществляется окисление поступивших в организм из внешней среды белков, жиров и углеводов. одновременно образующийся диоксид углерода с потоком венозной крови направляется в легкие и там, диффундируя через стенки альвеол, оказывается в составе выдыхаемого воздуха. Но в этих процессах биологического окисления субстратами, непосредственно подвергающихся действию кислорода, являются не те высокомолекулярные соединения, которые первоначально находились в составе пищи, а образовавшиеся в результате гидролитического расщепления в желудочно-пищевом тракте более простые, низкомолекулярные продукты.
На первой стадии диссимиляции в результате гидролиза сложные углеводы - крахмал, сахароза, гликоген и другие при участии амилаз превращаются в глюкозу и другие моносахариды. Жиры при участии липаз превращаются в жирные кислоты и глицерин. Белки под действием протеолитических ферментов превращаются в низкомолекулярные пептиды и аминокислоты. На этой стадии освобождается энергия, составляющая не более 1 % от общей химической энергии пищевых веществ. Часть продуктов, возникших на первой стадии диссимиляции, организм человека использует в качестве исходных веществ для анаболических реакций, связанных с получением материалов для застройки тканей и клеток, а также как запас химического топлива.
Другая часть продуктов гидролиза подвергается окислению, при котором наряду с диоксидом углерода, водой, аммиаком, мочевиной и т. д. образуются также продукты неполного окисления.
На второй стадии диссимиляции освобождается около 1/3 общего количества энергии, но еще не происходит аккумулирование выделившейся энергии путем образования высокоэр-гических веществ.
На третьей стадии диссимиляции происходит полное окисление всех образовавшихся во второй стадии промежуточных продуктов: воды, диоксида углерода, аммиака, мочевины и т. д. и освобождаются остальные 2/3 химической энергии, полученные организмом из пищевых веществ. Это сложный химический процесс, включающий десять последовательно протекающих реакций, каждая из которых катализируется соответствующим ферментом, называется циклом трикарбоновых кислот или циклом Кребса. Ферменты, необходимые для осуществления этих последовательных реакций, локализуются в мембранных структурных элементах клеток - митохондриях.
На третьей стадии диссимиляции освобождается 40-60 % энергии, которая используется организмом для синтеза высокоэргических веществ .
Таким образом, рассмотренные стадии диссимиляции в организме питательных веществ показывает, что энергоснабжение организма на 99 % обеспечивается протеканием в нем окислительно-восстановительных процессов.
Кроме того, с помощью окислительно-восстановительных реакций в организме разрушаются некоторые токсические вещества, образующиеся в ходе метаболизма. Именно таким путем организм избавляется от вредного влияния промежуточных продуктов биохимического окисления.
Сведения относительно окислительно-восстановительных свойств различных лекарственных препаратов позволяют решать вопросы о совместимости при одновременном их назначении больному, а также о допустимости их совместного хранения. С учетом этих данных становятся понятными несовместимость ряда лекарственных средств (например, таких как ио-дид калия и нитрит натрия, перманганат калия и тиосульфат натрия, пероксид водорода и ио-диды и т.д.).
Во многих случаях фармацевтические свойства медицинских препаратов находятся в непосредственной связи с их окислительно-восстановительными свойствами. Так, например, многие из антисептических, противомикробных и дезинфицирующих средств, (иод, перманганат калия, пероксид водорода, соли меди, серебра и ртути) являются в то же время и сильными окислителями.
Применение тиосульфата натрия в качестве универсального антидота (противоядия) основано на его способности участвовать в окислительно-восстановительных реакциях в роли как окислителя, так и восстановителя. В случае отравлений соединениями мышьяка, ртути и свинца, прием внутрь раствора тиосульфата натрия приводит к образованию труднорастворимых и потому практически неядовитых сульфатов. При отравлениях синильной кислотой или цианидами тиосульфат натрия дает возможность превратить эти токсичные вещества в менее ядовитые роданистые соединения. При отравлении галогенами и другими сильными окисли-
телями антитоксическое действие триосульфата натрия обусловлено его умеренными восстановительными свойствами .
Говоря об окислительно-восстановительных процессах, нужно отметить, что во время окислительных или восстановительных реакций изменяется электрический потенциал окисляемого или восстанавливаемого вещества: одно вещество, отдавая свои электроны и заряжаясь положительно, окисляется, другое, приобретая электроны и заряжаясь отрицательно, -восстанавливается. Разность электрических потенциалов между ними есть окислительновосстановительный потенциал (ОВП).
Окислительно-восстановительный потенциал является мерой химической активности элементов или их соединений в обратимых химических процессах, связанных с изменением заряда ионов в растворах. Это означает, что ОВП, называемый также, редокс-потенциал (от английского RedOx - Reduction/Oxidation), характеризует степень активности электронов в окислительно-восстановительных реакциях, т.е. в реакциях, связанных с присоединением или передачей электронов. При измерениях (в электрохимии) величина этой разности обозначается как Eh и выражается в милливольтах. Чем выше концентрация компонентов, способных к окислению, к концентрации компонентов, могущих восстанавливаться, тем выше показатель редокс-потенциала . Такие вещества, как кислород и хлор, стремятся к принятию электронов и имеют высокий электрический потенциал, следовательно, окислителем может быть не только кислород, но и другие вещества (в частности, хлор), а вещества типа водорода, наоборот, охотно отдают электроны и имеют низкий электрический потенциал. Наибольшей окислительной способностью обладает кислород, а восстановительной - водород, но между ними располагаются и другие вещества, присутствующие в воде и менее интенсивно выполняющие роль либо окислителей, либо восстановителей.
Значение ОВП для каждой окислительно-восстановительной реакции может иметь как положительное, так и отрицательное значение.
Так, например, в природной воде значение Eh колеблется от -400 до +700 мВ, что определяется всей совокупностью происходящих в ней окислительных и восстановительных процессов. В условиях равновесия значение ОВП определенным образом характеризует водную среду, и его величина позволяет делать некоторые общие выводы о химическом составе воды .
В биохимии величины редокс-потенциала выражаются не в милливольтах, а в условных единицах rH (reduction Hydrogenii).
Шкала условных единиц rH содержит 42 деления.
«0» - означает чистый водород,
«42» - чистый кислород,
«28» - нейтральная среда.
pH и rH тесно взаимосвязаны .
Окислительные процессы понижают показатель кислотно-щелочного равновесия (чем выше rH, тем ниже pH), восстановительные - способствуют повышению pH. В свою очередь показатель pH влияет на величину rH.
В организме человека энергия, выделяемая в ходе окислительно-восстановительных реакций, расходуется на поддержание гомеостаза (относительное динамическое постоянство состава и свойств внутренней среды и устойчивость основных физиологических функций организма) и регенерацию клеток организма, т. е. на обеспечение процессов жизнедеятельности организма.
ОВП внутренней среды организма человека, измеренный на платиновом электроде относительно хлорсеребряного электрода сравнения, в норме всегда меньше нуля, т.е. имеет отрицательные значения, которые обычно находятся в пределах от -100 до -200 милливольт. ОВП питьевой воды, измеренный таким же способом практически всегда больше нуля, обычно находится в пределах от +100 до +400 мВ. Это справедливо практически для всех типов питьевой воды, той, которая течет из водопроводных кранов во всех городах мира, которая продается в стеклянных и пластиковых бутылках, которая получается после очистки в уста-
новках обратного осмоса и большинства разнообразных больших и малых водоочистительных систем.
Указанные различия ОВП внутренней среды организма человека и питьевой воды означают, что активность электронов во внутренней среде организма человека намного выше, чем активность электронов в питьевой воде.
Активность электронов является важнейшей характеристикой внутренней среды организма, поскольку напрямую связана с фундаментальными процессами жизнедеятельности.
Когда обычная питьевая вода проникает в ткани человеческого (или иного) организма, она отнимает электроны от клеток и тканей, которые состоят из воды на 80-90%. В результате этого биологические структуры организма (клеточные мембраны, органоиды клеток, нуклеиновые кислоты и другие) подвергаются окислительному разрушению. Так организм изнашивается, стареет, жизненно-важные органы теряют свою функцию. Но эти негативные процессы могут быть замедлены, если в организм с питьем и пищей поступает вода, обладающая свойствами внутренней среды организма, т. е. обладающая защитными и восстановительными свойствами .
Для того, чтобы организм оптимальным образом использовал в обменных процессах питьевую воду с положительным значением окислительно-восстановительного потенциала, ее ОВП должен соответствовать значению ОВП внутренней среды организма. Необходимое изменение ОВП воды в организме происходит за счет затраты электрической энергии клеточных мембран, т.е. энергии самого высокого уровня, энергии, которая фактически является конечным продуктом биохимической цепи трансформации питательных веществ.
Количество энергии, затрачиваемой организмом на достижение биосовместимости воды, пропорциональна ее количеству и разности ОВП воды и внутренней среды организма.
Если поступающая в организм питьевая вода имеет ОВП близкий к значению ОВП внутренней среды организма человека, то электрическая энергия клеточных мембран (жизненная энергия организма) не расходуется на коррекцию активности электронов воды и вода тотчас же усваивается, поскольку обладает биологической совместимостью по этому параметру. Если питьевая вода имеет ОВП более отрицательный, чем ОВП внутренней среды организма, то она подпитывает его этой энергией, которая используется клетками, как энергетический резерв антиокси-дантной защиты организма от неблагоприятного влияния внешней среды .
Дыхание, усвоение углекислого газа растениями с выделением кислорода, обмен веществ и ряд других химических процессов в основе своей являются окислительновосстановительными реакциями. Сжигание топлива в топках паровых котлов и двигателях внутреннего сгорания, электролитическое осаждение металлов, процессы, происходящие в гальванических элементах и аккумуляторах, включают реакции окисления-восстановления.
Получение элементарных веществ (железа, хрома, марганца, золота, серебра, серы, хлора, иода и т. д.) и ценных химических продуктов (аммиака, щелочей, азотной, серной и других кислот) основана на окислительно-восстановительных реакциях.
На окислении-восстановлении в аналитической химии основаны методы объемного анализа: перманганатометрия, йодометрия, броматометрия и другие, играющие важную роль при контролировании производственных процессов и выполнении научных исследований. В органической химии для проведения ряда химических превращений самое широкое распространение нашли именно процессы окисления-восстановления.
Таким образом, большинство химических процессов, протекающих в природе и осуществляемых человеком в его практической деятельности, представляют собой окислительновосстановительные реакции. Эти реакции являются основными процессами, обеспечивающими жизнедеятельность любого организма и имеют огромное значение в теории и практике.
Глубокое знание сущности и закономерностей протекания химических реакций дает возможность управлять ими и использовать для синтеза новых веществ. Усвоение общих закономерностей протекания химических реакций необходимо для последующего изучения
свойств неорганических и органических веществ, что важно для понимания процессов, происходящих в организме человека.
Литература
1. Ахмадышин, Р.А. Оценка адсорбции витаминов и микроэлементов клеточной стенкой дрожжей Saccharomyces cerevisiae / Р.А.Ахмадышин, А. В. Канарский, З. А. Канарская. - Вестник Казан. технол. ун-та.- 2007. - № 6. - С. 83-86.
2. Балакирева, Ю.В. Изучение антиоксидантной активности коровьего и козьего молока / Ю.В.Балакирева, Ф.Ю. Ахмадуллина, А.А. Лапин. - Вестник Казан. технол. ун-та.- 2009. - № 1. -С. 56-60.
3. Егоров, А.С. Репетитор по химии / под ред. А.С.Егорова. - Изд. 24-е. - Ростов н/Д: Феникс, 2009. -762 с.
4. Ленский, А.С. Введение в бионеорганическую и биофизическую химию: Учеб. пособие для студентов медицинских вузов / А.С.Ленский. - М.: Высш. шк., 2009. - 256 с.
5. Николаев, А.Я. Биологическая химия: Учебник. - 3-е изд., перераб. и доп. / А.Я.Николаев. - М.: ООО «Медицинское информационное агентство», 2007. - 568 с.
© З. Н. Хисматуллина - канд. социол. наук, доц. каф. социальной работы, педагогики и психологии КНИТУ, [email protected].
Окислительно-восстановительный потенциал
Окислительно-восстановительный потенциал (ОВП) является мерой химической активности элементов или их соединений в обратимых химических процессах, связанных с изменением заряда ионов в растворах.
ОВП, который так же иногда называют редокс-потенциалом (RedOx — англ. Reduction/Oxidation, ORP), характеризует степень активности электронов в окислительно-восстановительных реакциях, т.е. реакциях, связанных с присоединением или передачей электронов.
Значение окислительно-восстановительного потенциала для каждой окислительно-восстановительной реакции вычисляется по формуле Нернста с учетом рН-показателя (информация по измерению и расчетным данным ОВП крови и внутренних тканей содержится в книге В.И. Прилуцкого и В.М. Бахира «Электрохимически активированная вода: аномальные свойства, механизм биологического действия», Москва, 1997), выражается в милливольтах и может быть как положительным, так и отрицательным. Его положительные значения означают протекание процесса окисления и отсутствия электронов. Отрицательные значения ОВП свидетельствуют о протекании процесса восстановления и наличии электронов.
В природной воде значение ОВП обычно находится в диапазоне от — 400 до + 700 мВ, что определяется совокупностью происходящих в ней окислительных и восстановительных процессов. В условиях равновесия значение окислительно-восстановительного потенциала определенным образом характеризует водную среду, и его величина позволяет делать некоторые общие выводы о химическом составе воды.
В зависимости от значения ОВП различают несколько основных ситуаций, встречающихся в природных водах:
1. Окислительная. Характеризуется значениями ОВП превышающими значения + (100 — 150) мВ, присутствием в воде свободного кислорода, а также целого ряда элементов в высшей форме своей валентности (Fe 3+ , Mo 6+ , As 5- , V 5+ , U 6+ , Sr 4+ , Cu 2+ , Pb 2+). Такая ситуация наиболее часто встречается в поверхностных водах.
2. Переходная окислительно-восстановительная. Определяется величинами ОВП от 0 до + 100 мВ, неустойчивым геохимическим режимом и переменным содержанием сероводорода и кислорода. В этих условиях протекает как слабое окисление, так и слабое восстановление целого ряда металлов;
3. Восстановительная. Характеризуется отрицательными значениями ОВП. Такая ситуация типична для подземных вод, где присутствуют металлы низких степеней валентности (Fe 2+ , Mn 2+ , Mo 4+ , V 4+ , U 4+), а также сероводород.
Самым распространенным природным окислителем является кислород. Примером окислительно-восстановительных реакций является коррозия металлов или потемнение поверхности фруктов, например, яблок.
Окислительно-восстановительные реакции происходят и в организме человека. Кислород, поступающий в организм, взаимодействуют с клетками нашего тела. Он действует как окислитель, а вместо ржавчины в организме образуются и накапливаются продукты окисления – свободные радикалы. Они ускоряют разрушение клеток, активизируют процессы физиологического старения и увядания всего организма.
Разность электрических потенциалов между взаимодействующими веществами принято называть окислительно-восстановительным потенциалом (ОВП).
Вода с положительным значением ОВП имеет окислительные свойства. Такие показатели наиболее часто встречаются в поверхностных водах. Вода, обладающая ярко выраженными кислотными свойствами называется «мертвой» водой. Её ОВП может достигать +800+1000 мВ. Мертвая вода является сильнейшим окислителем и этим объясняются ее дезинфицирующие и бактерицидные свойства.
Вода с отрицательным значением ОВП имеет восстановительные свойства. Это типично для подземных горных источников, талой воды. Такая вода получила название «живой» воды. Живая вода (щелочная) является отличным стимулятором, тонизатором, источником энергии, придает бодрость, стимулирует регенерацию клеток, улучшает обмен веществ, нормализует кровяное давление. Живая вода быстро заживляет раны, ожоги, язвы (в т.ч. желудка и 12- перстной кишки), пролежни. Живая вода используется для лечения и профилактики остеохондроза, атеросклероза, аденомы предстательной железы, полиартрита.
Обычно ОВП организма человека колеблется в диапазоне от -90 мВ до -200 мВ, а ОВП обычной питьевой воды зачастую значительно выше нуля:
— водопроводная вода от +60 мВ до +300 мВ;
— вода в пластиковых бутылках от +100 мВ до +300 мВ;
— колодезная, родниковая вода от +120 мВ до +300 мВ.
В результате окислительно-восстановительных реакций, которые постоянно протекают в организме человека, высвобождается энергия, которая впоследствии используется для поддержания гомеостаза. Гомеостаз – это способность организма сохранять относительное динамическое постоянство своего внутреннего состояния путем проведения скоординированных реакций. Другими словами, энергия, полученная в ходе окислительно-восстановительных реакций, расходуется для обеспечения процессов жизнедеятельности организма человека, а также для регенерации его клеток.
Ученые провели серию экспериментов, направленную на установление величины окислительно-восстановительного потенциала человеческого организма. Для измерения окислительно-восстановительного потенциала использовался платиновый электрод, а для сравнения взяли хлорсеребряный электрон. В результате было установлено, что в нормальном состоянии ОВП человека колеблется в диапазоне от -90 до -200 милливольт.
Аналогичным методом был измерен окислительно-восстановительный потенциал питьевой воды. Эксперименты показали, что вода обычно имеет положительный ОВП, находящийся в диапазоне от +100мВ до +400 мВ. Причем не имеет значения, какая вода используется для питья или в пищу: водопроводная, купленная в магазинах в бутылках, очищенная при помощи различных фильтров, или с использованием установок обратного осмоса. Проведенные измерения ОВП человека и воды указывают на то, что активность электронов питьевой воды значительно уступает активности электронов человеческого организма.
От активности присутствующих в человеческом организме электронов зависят все процессы обеспечивающие его жизнедеятельность.
Известно, что все имеющие биологическое значение системы, которые отвечают за накопление и потребление энергии, репликацию и передачу различных наследственных признаков, а также системы организма, вырабатывающие различные ферменты, содержат определенные молекулярные структуры с разделенными зарядами, между которыми образуется напряженность электрического поля в пределах 104-106 В/см. Эти поля определяют передачу зарядов в биологических системах, что в свою очередь обуславливает осуществления выбора и автоконтроля на некоторых стадиях сложнейших биохимических превращений. Активность электронов, которую и выражает окислительно-восстановительный потенциал, оказывает большое влияние на функциональные свойства электроактивных компонентов биологических систем.
Из-за разности ОВП человеческого организма и питьевой воды, при попадании воды в ткани и клетки организма, происходит окислительная реакция, в результате которой клетки человека изнашиваются и разрушаются.
Каким образом можно уменьшить или замедлить клеточное разрушение организма человека? Это вполне достижимо при соблюдении условия, что вода, которая поступает в наш организм, будет иметь свойства, соответствующие свойствам нашей внутренней среды. То есть окислительно-восстановительный потенциал воды должен иметь значения близкие значениям ОВП человеческого организма. Чем больше разность между значениями ОВП у человека и у выпитой им воды, тем больше требуется затрат клеточной энергии для достижения соответствия воды и внутренней среды организма.
Поэтому фразу «Ты есть то, что ты ешь» с позиций современной науки можно вполне заменить фразой: «Ты есть то, что ты пьешь».
Если ОВП питьевой воды соответствует окислительно-восстановительному потенциалу внутренней среды человека, вода усваивается клетками организма без использования электрической энергии мембран клеток.
В случае, если окислительно-восстановительный потенциал потребляемой питьевой воды имеет большее отрицательное значение, нежели ОВП внутренней среды человека, то при усвоении такой воды выделяется энергия, расходуемая клетками в качестве энергетического запаса нашей антиоксидантной защиты, которая служит основным нашего щитом организма, оберегающим его от отрицательного влияния, оказываемого вредными факторами окружающей среды.
Именно из-за дисбаланса механизмов окислительно-восстановительных процессов в человеческом организме появляются многие болезни человека. Поэтому даже обычная вода может стать вредной для ослабленного человека. Проникая в клетки, такая вода отбирает у них электроны и тогда биологические структуры клеток под воздействием окислительной атаки разрушаются. Все это ведет к старению организма — физиологические системы и органы быстрее изнашиваются, накапливается хроническая усталость. Предотвратить преждевременное старение можно, если для питья регулярно использовать правильную воду , близкую по своим свойствам внутренней среде организма.
Правильная вода нормализует окислительно-восстановительный баланс. Она приводит в порядок микрофлору ЖКТ путем стимулирования роста бифидобактерий и лактобактерий и подавляет рост патогенной микрофлоры: золотистого стафилококка, сальмонеллы, возбудителя дизентерия, аспергилл, листерий, клостридий, синегнойной палочки, бактерий, виновных в развитии язвенных болезней. С помощью правильной воды быстро восстанавливается иммунная система.
Отрицательные значения ОВП правильной питьевой воды свидетельствуют о протекании процесса восстановления и наличии свободных электронов. Отрицательно заряженная вода — живая, и именно она дает нашему организму энергию и здоровье.
Показатели измерений параметров некоторых жидкостей:
Свежая талая вода
: ОВП = +95, pH = 7.0
Водопроводная вода
: ОВП = +160 (обычно бывает хуже, до +600), рН= 4.0
Вода, настоянная на шунгите
: ОВП = +250, pH = 6.0
Минеральная вода
: ОВП= +250, рН= 4.6
Кипяченая вода
: ОВП = +218,рН=4.5
Кипяченная вода, спустя 3 часа
: ОВП = +465, рН= 3.7
Зеленый чай
: ОВП = +55, рН= 4.5
Черный чай
: ОВП = +83, pH = 3.5 Кофе: ОВП = +70, pH = 5.0
Кока-Кола
: ОВП=+320, рН= 2.7
Вода Корал Майн
: ОВП= -150/-200, рН= 7.5/8.3
Микрогидрин,
H
-500
: ОВП=-200/-300, рН= 7.5/8.5
Айсберг / +150 / 7,0
Аквалайн / +170 / 6,0
Архыз / +60 / 6,5
«Польза» / +165 / 5,5
«Ледниковая талая вода» Приэльбрусский заповедник / +130 / 5,5
Увинская жемчужина / +119 / 7,3
Суздальская вода «серебряный сокол» / +144 / 6,5
«Selters» Германия / +200 / 7,0
«SРА» Бельгия / +138 / 5,0
«Alpica» (в стекле) / +125 / 5,5
«Alpica» (в пластике) / +150 / 5,5
Ессентуки-Аква / +112 / 6,0
«Shudag» премиум / +160 / 5,5
«Родники Кавказа» Ессентуки 17 / +120 / 7,5
Светлояр / +96 / 6,0
«Демидовская плюс» / +60 / 5,5
Акваника «Источник победы» / +80 / 6,0
«Калипсик» Казахстан / +136 / 5,5
«evian» вода Альпийских гор. Франция / +85
Аparan / +115 / 6,8
Квата / +130 / 6,0
«Волжанка» / +125 / 6,0
ПЛОХИЕ ХОРОШИЕ СВОБОДНЫЕ РАДИКАЛЫ
АНТИОКСИДАНТЫ В КОСМЕТОЛОГИИ
Существует мнение, что одной из основных причин старения кожи и различных кожных заболеваний являются активные формы кислорода. С одной стороны, кислород играет важную роль в жизнеобеспечении нашего организма: участвует в окислительных и восстановительных химических реакциях - без него наше существование на Земле было бы невозможным. А с другой, вследствие таких реакций появляются свободные радикалы, избыток которых приводит к структурным изменениям клеток организма. Как это происходит, давайте разбираться.
ОКИСЛЕНИЕ - это нормальный и непрерывный процесс в нашем организме. Свободные радикалы образовываются в тот момент, когда кислород, участвующий в процессе метаболизма, теряет электрон. Таким образом, свободные радикалы - это атомы, которые на своей орбите имеют непарное количество электронов. Из-за нехватки электрона они становятся более активными. Хотя стоит сказать несколько слов в защиту свободных радикалов: они постоянно образовываются в нашем организме в качестве защитников от бактерий, вирусов, но это касается только первичных свободных радикалов. Пытаясь возместить недостающий электрон, свободные (вторичные) радикалы отбирают недостающий электрон, например, у молекулы, входящей в состав клеточной мембраны, превращая ее в новый (третичный) свободный радикал. Эта цепная реакция ослабляет клеточную мембрану, нарушая целостность клетки и открывая дорогу многим дегенеративным изменениям.
В норме наша иммунная система способна бороться с «агрессорами», но существуют факторы, которые снижают естественные защитные функции организма. Нарушение окислительно-восстановительного равновесия в сторону окисления и образования вторичных радикалов напрямую связаны с нашим образом жизни: длительное пребывание на солнце (солнечная радиация), табачный дым, хлорированная вода, непомерное количество консервантов, частый прием антибиотиков, загрязнение окружающей среды. Ученые считают, что вследствие образования свободных радикалов в организме человека формируются онкологические заболевания. Многие из вышеперечисленных факторов нам неподвластны, что-то мы не хотим менять, но многое изменить в наших силах.
КАК ЗАЩИТИТЬ НАШ ОРГАНИЗМ И НАШУ КОЖУ?
В борьбе со свободными радикалами выступают антиоксиданты, что переводится как «ингибиторы окисления». Молекулы антиоксидантов имеют лишний электрон, которым они с удовольствием делятся с ненасытными радикалами, при этом оставаясь стабильными соединениями. Таким образом, непрерывная цепочка разрушения молекул прекращается. В качестве антиоксидантов выступают некоторые витамины и микроэлементы (А, С, Е, селен, флавоноиды); гормон мелатонин; некоторые травы (черника, гинкго билоба, зеленый чай и т. д.).
Косметологи взяли на заметку эту информацию, и сегодня продукция по уходу за кожей содержит витамины и экстракты с высоким содержанием антиоксидантов. Особенно рекомендуется применять такие косметические продукты , если человек подвержен вредным привычкам.
Остановлюсь лишь на некоторых антиоксидантах, которые используются в косметических препаратах. Витамин А является мощным оружием против канцерогенов, усиливает иммунную систему. Витамин С как сильный антиоксидант защищает другие антиоксиданты, в частности, витамин Е. Он повышает синтез интерферона - естественного борца с вирусами, а также стимулирует активность иммунных клеток. Витамин Е предупреждает окисление липидов, а поскольку из липидов состоят мембраны клеток, он предотвращает их разрушение свободными радикалами.
Гормон мелатонин является самым эффективным антиоксидантом из всех открытых на сегодня, поскольку он способен проникать в любую часть организма. Особенностью гормона является время синтеза - на ночные часы приходится 70% суточной продукции мелатонина. У взрослого человека за сутки синтезируется около 30 мкг мелатонина, его концентрация в сыворотке крови ночью в 30 раз больше, чем днем, причем пик активности, в среднем по множеству наблюдений, приходится приблизительно на 2 часа ночи по местному солнечному времени. Мелатонин защищает клетки от необычайно широкого спектра неблагоприятных воздействий. В клетке он обеспечивает особую защиту ядра - центральной структуры, содержащей
Фотосинтез.
Фотосинтез – единственный процесс в биосфере, ведущий к увеличению ее свободной энергии за счет внешнего источника. Запасенная в продуктах фотосинтеза энергия – основной источник энергии для человечества. Ежегодно в результате фотосинтеза на Земле образуется 150 млрд. тонн органического вещества и выделяется около 200 млн. тонн свободного кислорода. Круговорот кислорода, углерода и других элементов, вовлекаемых в фотосинтез, поддерживает современный состав атмосферы, необходимый для жизни на Земле. Фотосинтез препятствует увеличению концентрации СО 2 , предотвращая перегрев Земли вследствие так называемого «парникового эффекта». Поскольку зеленые растения представляют собой непосредственную или опосредованную базу питания всех других гетеротрофных организмов, фотосинтез удовлетворяет потребность в пище всего живого на нашей планете. Он – важнейшая основа сельского и лесного хозяйства. Квадратный метр поверхности листьев в течение одного часа продуцирует около одного грамма сахара; это значит, что все растения, по приблизительной оценке, изымают из атмосферы от 100 до 200 млрд. тонн С в год. Зеленое растение способно не только использовать углекислый газ и создавать сахар, но и превращать азотные соединения, и соединения серы в вещества, слагающие его тело. Через корневую систему растение получает растворенные в почвенной воде ионы нитратов и перерабатывает их в своих клетках в аминокислоты – основные компоненты всех белковых соединений. Компоненты жиров также возникают из соединений, образующихся в процессах обмена веществ и энергии. Из жирных кислот и глицерина возникают жиры и масла, которые служат для растения, главным образом, запасными веществами. Получение семян, жиров и масел играет важную роль в сельскохозяйственной и пищевой промышленности. Уравнение реакции, отображающее процесс фотосинтеза:
СО 2 + Н 2 О=С 6 Н 12 О 6 + О 2
Горение
Если мы замерзли, или хотим приготовить еду, то зажигаем огонь. Реакция горения это тоже окислительно – восстановительная реакция.
С + О 2 = СО 2
А знаете, что можно согреться и без огня, с помощью химических грелок. Например такой: совершенно сухую смесь железной (Fe) или алюминиевой (Al) стружки с солями меди (например, CuCl 2) можно хранить довольно долго, а при добавлении воды температура сразу же повышается почти до 100 о С за счет реакции:
Fe + CuCl 2 = FeCl 2 + Cu.
При этом грелка, в которой хлорид меди CuCl 2 превращается в хлорид железа FeCl 2 , сохраняет тепло около десяти часов.
Дыхание
Дыхание характерно для большинства живых организмов, оно просто неотделимо от жизни. Дыхание - это сложный непрерывный процесс поддержания на оптимальном уровне окислительно-восстановительных процессов в организме человека. В процессе дыхания принято различать три звена: легочное дыхание, транспорт газов кровью, тканевое дыхание.
При атмосферном давлении, равном 760 мм рт. ст. процесс дыхания протекает нормально. При понижении атмосферного давления, то есть при подъеме на высокие горы, во время полета в самолете происходит уменьшение содержания кислорода в составе воздуха. В результате недостатка в организме кислорода (гипоксии), у человека появляются признаки горной болезни: дыхание и пульс учащаются, появляются головная боль, мерцание в глазах, тошнота. Если при этом человек не получит кислород в необходимом количестве, он может потерять сознание. Поэтому во время полета в самолете в воздух дополнительно подается кислород.
Жители горных местностей приспособлены к жизни в таких условиях. Содержание эритроцитов в их крови увеличивается, что способствует усвоению кислорода воздуха в большом количестве. Лица, живущие в условиях нормального атмосферного давления, при необходимости подняться в высокие горы должны совершать подъем на высоту не сразу, а постепенно, давая возможность организму приспосабливаться.
Легочное дыхание - это газообмен между организмом и окружающим его атмосферным воздухом. Оно делится на два этапа: газообмен между атмосферным и альвеолярным воздухом, газообмен между альвеолярным воздухом и кровью.
Тканевое дыхание тоже разделено на два этапа. Первый этап - это обмен газов между кровью и тканями, второй связан с потреблением кислорода клетками и выделением ими углекислого газа. Дыхательный цикл состоит из вдоха, выдоха и дыхательной паузы. Обычно вдох короче выдоха. Оптимальное соотношение вдох/выдох = 1/2.
Суммарно процесс дыхания можно выразить следующим уравнением:
С 6 Н 12 О 6 + О 2 =СО 2 + Н 2 О + Q
Гниение
Благодаря процессам гниения осуществляется круговороты веществ в природе. Гнилостные бактерии, переводя органическое вещество в неорганическое, как бы начинают круговорот жизни. Но в то же время гниение – это процесс разрушения органических азотсодержащих соединений, главным образом белковых веществ, под действием микробных ферментов; составляет один из важных этапов в круговороте веществ в природе. В результате гниения из сложных органических соединений образуются простейшие вещества - Аммиак, углекислота, вода, сероводород, фосфорная, азотная, азотистая и серная кислоты, которые в живой природе служат исходными веществами для нового синтеза (неогенеза) сложных органических соединений. При гниении мяса и рыбы образуются птомаины (кадаверин, нейрин, холин и др.), обладающие токсическими свойствами. В организме человека процесс гниения происходит в основном в толстой кишке, где существуют оптимальные условия для жизнедеятельности гнилостных бактерий. Токсические соединения, образовавшиеся при гнилостном распаде белка в кишечнике, с кровью попадают в Печень, где происходит их обезвреживание. Интенсивность процессов гниения в кишечнике человека невелика, однако при ряде патологических состояний, сопровождающихся выделением в просвет кишечника крови, различных экссудатов или при кишечной непроходимости она возрастает, что может привести к эндогенной интоксикации. Опасно развитие гнилостной инфекции в ранах.
Медицина и окислительно-восстановительные реакции
Окислительно-восстановительные реакции активно происходят как на стадиях разложения организмов, так и на стадии заживления ран, излечивания от болезней. Одну из простейших окислительно-восстановительных реакций вы могли не только наблюдать, но и хотя бы раз в жизни провести!
Н 2 О 2 =Н 2 О + О 2
Перекисью водорода называется хорошо известное в народе вещество, которое широко используют как в медицине, так и для бытовых целей. В частности, перекись водорода рекомендуют как дезинфицирующее средство. Действие перекиси связано с тем, что при контакте с живой тканью она начинает быстро разлагаться. При этом выделяется молекулярный кислород, который способствует окислению органических компонентов разных клеток. При разложении перекиси кислород выделяется настолько энергично, что раствор вспенивается. Получившаяся при контакте с тканью пена помогает в механическом очищении повреждений и ран. Вместе с пеной из ран удаляется мусор, микроорганизмы, омертвевшие частицы тканей, гнойные выделения и так далее. Раствор перекиси водорода способен за счет пенообразования способствовать тромбообразованию и оказывать кровоостанавливающее действие при небольшом кровотечении.
Для целей отбеливания и дезинфекции пользуются окислительными свойствами таких наиболее известных средств, как пероксид водорода, хлор и хлорная, или белильная, известь.
Если требуется окислить с поверхности изделия какое-либо легко разрушающееся вещество, применяют пероксид водорода. Он служит для отбеливания шелка, перьев, меха. С его помощью также реставрируют старинные картины. Ввиду безвредности для организма пероксид водорода применяют в пищевой отрасли промышленности для отбеливания шоколада, рубцов и оболочек в производстве сосисок.
Хлор как сильный окислитель используют для стерилизации чистой воды и обеззараживания сточных вод. Хлор разрушает многие краски, на чем основано его применение при белении бумаги и тканей. Хлорная, или белильная, известь – это один из самых распространенных окислителей как в быту, так и в производственных масштабах.
Коррозия
Коррозия металлов – физико-химическое или химическое взаимодействие между металлом (сплавом) и средой, приводящее к ухудшению функциональных свойств металла (сплава), среды или включающей их технической системы.
Коррозия вызывается химической реакцией металла с веществами окружающей среды, протекающей на границе металла и среды. Чаще всего это окисление металла, например, кислородом воздуха или кислотами, содержащимися в растворах, с которыми контактирует металл. Особенно подвержены этому металлы, расположенные в ряду напряжений (ряду активности) левее водорода, в том числе железо.
Многие металлы, в том числе и довольно активные (например, алюминий) при коррозии покрываются плотной, хорошо скрепленной с металлами оксидной пленкой, которая не позволяет окислителям проникнуть в более глубокие слои и потому предохраняет металл от коррозии. При удалении этой пленки металл начинает взаимодействовать с влагой и кислородом воздуха.
Алюминий в обычных условиях устойчив к воздействию воздуха и воды, даже кипящей, однако если на поверхность алюминия нанести ртуть, то образующаяся амальгама разрушает оксидную пленку:
Al + H 2 O + O 2 = Al(OH) 3
Коррозии подвергаются и некоторые довольно мало активные металлы. Во влажном воздухе поверхность меди покрывается зеленоватым налетом (патиной) в результате образования смеси основных солей.
К коррозии металлов можно отнести также их растворение в жидких расплавленных металлах (натрий, свинец, висмут), которые используются, в частности, в качестве теплоносителей в ядерных реакторах.
Наиболее распространена коррозия в средах электролитов. В некоторых технологических процессах металлы контактируют с расплавами электролитов. Однако чаще всего коррозия протекает в растворах электролитов. Металл не обязательно должен быть полностью погружен в жидкость. Растворы электролитов могут находиться в виде тонкой пленки на поверхности металла. Они нередко пропитывают окружающую металл среду (почву, бетон и др.).
Во время строительства метромоста и станции «Ленинские горы» в Москве в бетон добавляли большое количество хлорида натрия, чтобы не допустить замерзания еще не схватившегося бетона. Станция была сооружена в кратчайшие сроки (всего за 15 месяцев) и открыта 12 января 1959. Однако присутствие хлорида натрия в бетоне вызвало разрушение стальной арматуры. Коррозии оказались подвергнуты 60% железобетонных конструкций, поэтому станция была закрыта на реконструкцию, продолжавшуюся почти 10 лет. Лишь 14 января 2002 состоялось повторное открытие метромоста и станции, получившей название «Воробьевы горы».
Использование солей (обычно хлорида натрия или кальция) для удаления снега и льда с дорог и тротуаров также приводит к ускоренному разрушению металлов. Сильно страдают транспортные средства и подземные коммуникации. Подсчитано, что только в США применение солей для борьбы со снегопадами и гололедом приводит к потерям на сумму около 2 млрд. долл. в год в связи с коррозией двигателей и 0,5 млрд. долл. на дополнительный ремонт дорог, подземных магистралей и мостов.
В средах электролитов коррозия обусловлена не только действием кислорода, воды или кислот на металлы, но и электрохимическими процессами.
Электрохимическая коррозия приводит к быстрому разрушению более активных металлов, которые в различных механизмах и устройствах контактируют с менее активными металлами, расположенными в электрохимическом ряду напряжений правее. Использование медных или латунных деталей в железных или алюминиевых конструкциях, которые работают в морской воде, существенно усиливает коррозию. Известны случаи разрушения и затопления кораблей, железная обшивка которых была скреплена медными заклепками.
По отдельности алюминий и титан устойчивы к действию морской воды, но если они контактируют в одном изделии, например в боксе для подводной фототехники, алюминий очень быстро разрушается, и бокс протекает.
Одной из причин возникновения электрохимической коррозии являются блуждающие токи, которые появляются вследствие утечки части тока из электрических цепей в почву или водные растворы, где они попадают на металлические конструкции. В местах выхода тока из этих конструкций вновь в почву или воду начинается растворение металла. Такие зоны разрушения металлов под действием блуждающих токов особенно часто наблюдаются в районах наземного электрического транспорта (трамвайные линии, железнодорожный транспорт на электрической тяге). Эти токи могут достигать несколько ампер, что приводит к большим коррозионным разрушениям. Например, прохождение тока силой в 1 А в течение одного года вызовет растворение 9,1 кг железа, 10,7 кг цинка, 33,4 кг свинца.
Полностью предотвратить коррозию можно только в инертной среде, например в атмосфере аргона, однако реально создать такую среду при эксплуатации конструкций и механизмов в подавляющем большинстве случаев невозможно. На практике для снижения коррозионной активности среды из нее стараются удалить наиболее реакционноспособные компоненты, например, снижают кислотность водных растворов и почв, с которыми могут контактировать металлы. Одним из методов борьбы с коррозией железа и его сплавов, меди, латуни, цинка, свинца является удаление из водных растворов кислорода и диоксида углерода. В энергетике и некоторых отраслях техники воду освобождают также от хлоридов, которые стимулируют локальную коррозию. Для снижения кислотности почвы проводят известкование.
Агрессивность атмосферы сильно зависит от влажности. Для любого металла есть некоторая критическая относительная влажность, ниже которой он не подвергается атмосферной коррозии.
Один из способов защиты от коррозии основывается на разработке новых материалов, обладающих более высокой коррозионной стойкостью. Часто применяют поверхностное легирование недорогих железных сплавов цинком, алюминием, хромом.
Для замедления коррозии на поверхность металла наносят лаки и краски, минеральные масла и смазку. Подземные конструкции покрывают толстым слоем битума или полиэтилена.
Одним из наиболее эффективных методов борьбы с коррозией является электрохимическая защита. Для защиты буровых платформ, сварных металлических оснований, подземных трубопроводов их подключают в качестве катода к внешнему источнику тока. В качестве анода используются вспомогательные инертные электроды.
Защита одного металла другим, более активным металлом, расположенным в ряду напряжений левее, эффективна и без наложения разности потенциалов. Более активный металл (например, цинк на поверхности железа) защищает от разрушения менее активный металл.
О вредном действии коррозии знают все, но нельзя и недооценивать ее значение. С глубокой древности известен способ превращения железа в сталь, через ржавление. Суммарно процесс ржавления можно выразить уравнением:
Fe + Н 2 О + О 2 =Fe(OH) 3
Черкесы на Кавказе закапывали полосовое железо в землю, а, откопав его через 10-15 лет, выковывали из него свои сабли, которые могли перерубить даже ружейный ствол, щит врага. После выкапывания ржавое железо вместе с органическими веществами нагревали в горнах, ковали, а затем охлаждали водой – закаливали.
Электролиз
Золочение предметов известно с давних пор, так как позолоченные изделия очень красивы. Прежде, когда электролиз и гальванотехника не были изобретены, изделия из металлов золотили так: на них наносили тестообразную амальгаму золота (сплав его с ртутью); затем накаливали докрасна; при этом ртуть испарялась, а золото оставалось. Но пары ртути очень ядовиты, так, например, при золочении куполов Исаакиевского собора в Петербурге от отравления ртутью погибло 60 рабочих.
Пиротехника
Окислительно-восстановительные реакции находят применение и в военных целях. Их применяются для изготовления оружия, снарядов, сигнальных ракет и зажигательных смесей, изготовление огнеупорных материалов, техники и т.д. Но окислительно-восстановительные реакции с точки зрения пиротехники выполняют не только разрушающую миссию, но и несут светлое и красивое в нашу жизнь. В данном случае имеются в виду фейерверки.
(NH 4) 2 Cr 2 O 7 =Сr 2 O 3 + N 2 + H 2 O
©2015-2019 сайт
Все права принадлежать их авторам. Данный сайт не претендует на авторства, а предоставляет бесплатное использование.
Дата создания страницы: 2016-04-11
