从生物学的角度看氧化和还原

我们这次课的内容 是复习化学课中所讲的 关于氧化反应和还原反应的知识 我们会看到 化学课的知识 与生物学家或者说生化学家使用的术语 是如何相关的 最后 我们会看到它们实际上是一样的 作为复习 如果你看了化学的视频课 氧化反应 可以看做-- 实际上 有一个著名的助记符号 它就是OIL和RIG oil意为氧化反应是失去-- 我把它放在引号内 因为反应未必会失去电子 大家马上就会明白我的意思-- 是失去电子 这就是你在化学课中学到的 你也学到了 还原反应是得到 我也把它放在引号内 是得到电子 放进引号内的原因 是未必会得到电子 更多情况是占用电子 它被称为还原反应的原因是 如果得到了电子 如果是真正得到电子 那么电荷就减少了 它被称为氧化反应的原因是 反应物常常是失去电子给氧气 当然 不一定必须是氧气 可以是任何从反应物得到电子的分子 我想 为使说明更加具体 举个例子比较好 这里有一些氢分子 是气态的 然后 使它和氧分子发生燃烧反应 这就是1937年在“兴登堡号”飞艇上发生的事故 充满氢气的氢气球 在遇到火花 同时暴露在氧气下时 就会产生爆炸 在这个过程中 对于每摩尔氧分子 如果有2摩尔氢分子-- 这个方程式就平衡了 就会生成2摩尔的水和大量的热量 这样会产生爆炸的 我的意思是 虽然我们谈到了兴登堡号 但是 我写下这个方程式 是想展示给你看 什么被氧化了 什么被还原了 那么 在这种情况下的氢气 氢分子是这样子的 有一个氢-氢键 两个氢原子互相共享对方的一个电子 这样两个原子的1s轨道就饱和了 它们并不丢失电子 并不占用对方的电子 可以说 它们处于中性氧化状态 它们并不得到或失去电子 只是共用一对电子 氧分子也是一样 两个氧原子之间有一个双键 它们都是氧原子 也不会造成一个氧原子得到或失去一个电子 但是 当到了方程式这一边的时候 有趣的事情发生了 每个氧原子连接着两个氢原子 我们考虑的是 氧占有了两个氢原子的电子 氢在它的价电子层上有一个电子 大部分共价键的交易是 嘿 我给你一个电子 你给我一个电子 我们就形成了完整的一对 但是 我们知道 氧比氢具有更强的负电性 这边是葡萄糖 是我们在上次的细胞呼吸视频中用到的 你可以忽略它 但是 以后的视频中 我会把它们联系起来 我们看一下元素周期表 如果你还记得化学课的内容 当向元素周期表的右上方向前进时 负电性会增加 这里是负电性最强的元素 而这里是负电性最弱的 负电性意味着 占有电子的能力 负电性意味着容易占有电子 尽管氧和氢以共价键形式形成水-- 它们在共用一对电子--氧具有更强的负电性 比氢更强的负电性 所以 它就要占用电子了 实际上 如果拿这边的元素 和这边的元素结合 这边的元素比那些左侧的 具有更强的负电性 它们实际会完全占有电子 而不只是大部分时间占用电子 当谈论负电性的时候 它意味着不完全地得到电子 我们看氢和氧之间的共价键 在元素周期表上可以看到 氧的负电性更强 所以 电子被氧原子占用的时间更长 我们学过氢键 它在水分子的这边 形成了偏移的负电荷 在这边形成了偏移的正电荷 电子偶尔会出现在氢原子附近 当谈论氧化和还原时 你会说 看 这里没有偏移的电荷 如果一个原子 处于氧化状态时 在更多的时间占用电子 我们就说 它占有了电子 所以 对于氧化状态 我们认为 水中的氧原子占有了电子 我们就会给它的氧化态一个负号 或者 习惯性地 在氧化态的后面写出电荷 这样 电荷数就很清楚了 所以这里记为1- 因为从氧化态的观点来看 它占有了电子 它获得了电子 这就是为什么我在这里加了引号 因为并不是真正得到了电子 只是大部分时间获得了电子 占有了电子 同样地 这个氢原子--我认真一点 这不是-- 它从这个氢原子得到一个电子 从这个氢原子得到另一个电子 所以 不是一1- 应该是2- 应该是2- 因为它从这里占有一个 从这里占有一个 一般情况下 当氧和非氧的原子或元素 结合时 它常常记为2- 或者说处于-2价氧化状态 氧呈现-2价状态 因为它得到了两个电子 我写在引号里 得到两个电子 我们知道 并不是真正得到 只是占用 两个氢各失去一个电子 所以 这个氢的氧化状态是+1价 这个氢的氧化状态也是+1价 可以说 通过氢在氧气中的燃烧 氢原子--在它们零氧状态之前 这些氢原子都有零氧状态 现在有了+1价的氧化状态 因为它们在和氧结合的过程中 失去了电子 所以 我们说氢被氧化了 通过这个反应 氢气被氧化了 为什么它被氧化了呢？ 因为起初 原子间能够稳定地共用一对电子 然后 它和氧气结合 氧气占用了它的电子 所以 氢气把电子给了氧气 它就被氧化了 类似地 通过燃烧反应 氧气被还原了 为什么它被还原了呢？ 这里 它只是共用电子对 并没有电子的得失 当它和一种低负电性的 原子结合时 它就占有了氢原子的电子 这里的电荷就减少了2个 我想对所有的电子都做出说明 因为我们在讨论电子的得与失 我们可以写出两个反应 这些是对化学课的一些复习 复习一遍还是有好处的 下面我将把这些知识用在生物学中 这样你们可以 重新形成这些知识结构 我们可以写出两个反应 我们从2摩尔的氢分子开始 它们不是氧化态的 或者说它们是中性的 我在这写下一个0 然后 在方程式另一边 以2摩尔的H2结束 现在每个氢原子都是+1价的氧化态 或者 从另一方面考虑 每个氢原子-- 这里有四个氢原子 这是有两个氢原子的氢分子 这里有2摩尔的氢分子 所以 共有4个氢原子 4个氢原子各自失去一个电子 我们可以这样写 加上4个电子 这是反应的一半 即氢气的反应 它失去4个电子 这种方式也说明了氢被氧化 因为它失去了电子 OIL:氧化反应是失去电子 另一半反应就是氧气的反应 左边是1摩尔的氧气 加上4个电子 电子不是凭空而来的 是从氢中得到的 它要加到氧分子中去 这一半反应的右边 以2摩尔-- 我这样写--2摩尔氧 每摩尔氧都是-2价的氧化态 这就是另一半反应 这些都表明 在燃烧的过程中 氢失去了电子 氧得到了氢失去的电子 这告诉我们 氧气被还原了 这就对了 这些是对化学课知识的复习 接下来 会更加令人困惑 我将介绍生物学家是如何考虑这个反应的 那么-- 当然不总是这样 有时候 生物学家会用到 你在化学课中学到的定义 但是生物学家--或者许多生物课本--会说-- 这曾经也令我非常困惑-- 氧化过程是失去氢原子的过程 还原过程是得到氢原子的过程 开始我接触这个定义的时候 我想 好像化学课上学到过 但那时讨论的是电子 氢原子由一个质子和一个电子组成 这有什么关系吗？ 为什么这两种定义-- 这实际上是这个视频的全部要点 为什么这两种定义是一致的 因为 在生物世界中 氢常常和周边物质发生反应 常常和碳 氧 磷 氮等原子结合 我们看元素周期表 看到氢的位置 碳 氮 氧 磷的位置 实际上 所有其他物质 你看到的生物系统中的物质 氢结合的元素通常是 负电性较强的 所以 如果一个碳和一个氢结合 这个碳就占有了那个电子 如果那个氢和电子转移给一个氧分子 碳就会失去氢原子 实际上 它失去的是原来占有的电子 那么 现在氧就占有了那个电子 所以 两种定义是完全一致的 我给你们举这个例子的原因是 生物学中的定义在这里并不适用 你可能会说 嗯 这个反应中氧得到了氢 那么 根据生物学中的定义 我们可以说 氧被还原了 但是 不能说氢失去了氢原子 这种情况下 只是氢失去了电子 它并没有失去它本身 你们可能说 因为它被吸收了 所以失去了它本身 但是 生物学中的定义不是这样来的 当氢和生物体内的化合物结合时 常常提供电子 所以 如果碳失去氢 并把它给氧时 碳失去的是它占用的氢的一个电子 而这个电子被氧占用了 所以 碳被氧化 氧被还原 希望你能够明白 在下一个视频中 我会举更多例子 这样做的原因是 为了把这些知识应用到细胞呼吸中去 这样 有人说NAD得到氢是被还原了 或者 失去氢就是被氧化了 或者 等等 你不会感到疑惑 我想让你知道 这些定义和你在化学课上学到的是一样的