Redoxní Reakce v Přírodě: Vysvětlení

Chemická látka je hmota skládající se z částic, mající určité vlastnosti (chemické, fyzikální). Základní stavební jednotkou je ion či atom. Částice tvořená více atomy se nazývá molekula. Většina látek je tvořena molekulami.

V první atomové teorii bylo uvedeno, že všechny látky jsou složeny z nepatrných, nezničitelných a nedělitelných částic - atomů. Jenže skutečnost je jiná. Samotné atomy se totiž skládají z kladně nabitého jadra (protony + neutrony) a záporně nabitého obalu (elektrony).

V roce 1869 vyslovil Dimitrij Ivanovič Mendělejev periodický zákon: „Vlastnosti prvků jsou funkcí jejich protonového čísla.“ Uspořádal prvky do periodické tabulky dle atomové hmotnosti.

Chemická vazba je interakce, která k sobě navzájem poutá sloučené atomy prvků v molekule prostřednictvím valenčních elektronů. Chemické vazby vznikají a zanikají chemickou reakcí.

Při rozdělení chemických reakcí podle dějů rozlišujeme mimo jiné i reakce protolytické, popřípadě reakce acidobazické. Při těchto reakcích dochází k výměně protonů mezi kyselinou a zásadou.

Čtěte také: O korozi

Termodynamika je část fyziky, která se zabývá tepelnými vlastnostmi a jejich přeměnami. První úvahy o teple jsou spojené s průmyslovou revolucí. Teoretické základy byly položeny trojicí termodynamických zákonů.

Chemické reakce probíhají různou rychlostí. Tato rychlost závisí na podmínkách, za kterých reakce probíhají, a na povaze reagujících látek. Reakční kinetika studuje rychlost chemických reakcí, její závislost na reakčních podmínkách a vysvětluje reakční mechanismus.

Redoxní Reakce

Redoxní reakce jsou reakce, při kterých dochází k výměně elektronů a v závislosti na tom ke změnám oxidačních čísel. Probíhají vždy současně dvě poloreakce - oxidace a redukce.

• Při oxidaci se oxidační číslo zvětšuje, dochází k myšlenému odevzdávání elektronů (myšlený náboj se stává „více kladným“).
• Při redukci je proces, při kterém částice získává elektrony.
• Protože elektrony nelze zničit ani vytvořit a nelze je vzít „odnikud“ a odhodit do „nikam“, platí, že je-li jedna částice oxidována, pak jiná částice (nebo několik částic) musí být ve stejné míře redukována. A naopak. Každá respirace je redoxní reakcí.
• Oxidační činidlo redukuje jinou látku, samo se oxiduje (např. málo elektronegativní prvky (I. - III. skupiny).
• Redukční činidlo oxiduje jinou látku, samo se redukuje (typicky např. málo elektronegativní prvky (I. - III. skupiny).

Jako oxidační činidlo se označuje látka, která oxiduje jiné látky, sama se redukuje (typicky např. KMnO₄, K₂Cr₂O₇, HNO₃).

Redukční činidlo redukuje jinou látku, samo se oxiduje (např. neušlechtilé kovy mají E0 < 0, snadno tvoří kationty, např. Na, K, Mg, Zn, Fe, Al).

Čtěte také: Použití hydroxidu sodného

Běžně se stává, že částici, která byla při respiraci redukována, se v jiné souvislosti a jinému organismu hodí zpět oxidovat. Při tom samozřejmě něco jiného také redukuje (např. rostliny provozují reakci opačnou k předchozímu příkladu: CO2 => C + O2).

Standardní Elektrodový Potenciál (SRP)

• Standardní elektrodový (redoxní) potenciál - (E0ox/red) charakterizuje snahu částic (ve standardním stavu) přijímat nebo odevzdávat elektrony, je dán rovnovážným napětím galvanického článku, sestaveného z elektrody příslušného kovu a tzv. vodíkové elektrody.
• Hodnotu SRP je třeba nejprve změřit a pak tabelovat.
• Hodnota E° je SRP pro danou reakci.
• Mnohé údaje týkající se vlastností vody dokážeme změřit a další nám na požádání sdělí dodavatel vody.

Elektrody bývají zhotovené z vodivého materiálu (kovů, polokovů či grafitu). Elektrolýza je děj, při kterém působením stejnosměrného proudu dochází k chemickým změnám na elektrodách. Elektrolýza se často využívá k rozkladu výchozích látek a výrobě látek samostatných.

Galvanický článek je zdrojem stejnosměrného proudu. Ten vzniká na základě redoxních reakcí na elektrodách (dochází k přesunu elektronů mezi látkami). Mezi běžné typy galvanických článků („baterií“) patří např. suchý článek (Leclanchéův článek), alkalická baterie, knoflíková baterie.

Akumulátory lze opakovaně nabíjet a vybíjet, příkladem je lithium-iontový akumulátor (Li-ion) používaný např. v mobilních telefonech, noteboocích, elektromobilech.

V úzkém pojetí se za baterii považují sériově zapojené galvanické články.

Čtěte také: Analýza Máje od K.H. Máchy

Redoxní Reakce v Biologii

Všechno živé funguje na elektřinu. Na elektrický proud. Elektrický proud, to je proud elektronů. Takový elektron je potřeba někde vzít, nechat ho něčím proběhnout a vykonat nějakou práci (dodat energii pro uskutečnění nějaké chemické reakce), a nakonec se ho nějak zbavit. To je respirace.

Odborněji to lze vyjádřit např. takto: Všechny organismy získávají energii transferem elektronů od jejich dárce (donoru) k jejich příjemci (akceptoru). U člověka a dalších aerobních heterotrofních organismů jsou zdrojem elektronů organické látky odvozené z potravy a terminálním elektronovým akceptorem (TEA) kyslík.

Mnozí mikrobi jako TEA dokáží využít i něco jiného než kyslík, a pak provozují anaerobní respiraci. Některé organismy jsou striktně vázány na využití jediného TEA. Například ryby nemohou dýchat nic jiného než kyslík, a jsou tedy striktními (obligátními) aeroby.

Mnozí mikrobi však takto omezení nejsou a mohou jako TEA využívat dva nebo více prvků. Tehdy hovoříme například o fakultativních anaerobech, tedy organismech, které respirují kyslík, je-li přítomen, ale mohou respirovat i něco jiného, když kyslík dojde.

Energetická bilance všech redoxních reakcí, tedy i respirace, je fyzikálně-chemickou konstantou. Respirující organismy na tom nemohou nic změnit. Proto je možné potenciální TEA seřadit od nejvíce po nejméně energeticky výhodné. Z těch, které jsou v přírodě běžně dostupné, stojí kyslík (O2) na prvním místě a za ním následují postupně další.

Redoxní kaskáda není pouze nějakou teoretickou konstrukcí, nýbrž velmi reálně určuje charakter biochemických dějů v jednotlivých vrstvách sedimentu.

Organické látky pronikají z vodního sloupce do hloubky sedimentu a kamkoli proniknou, tam za nimi putují heterotrofní mikrobi, pro které jsou zdrojem uhlíku (v zásadě „potravou“). Všichni ti mikrobi ovšem potřebují nejen „jíst“, ale také respirovat.

Jak jsme konstatovali, nejvýhodnějším TEA je kyslík, jenže toho je s narůstající hloubkou v sedimentu stále méně. Prvním stupněm redoxní kaskády je oxická zóna - nejvyšší vrstva zásobená kyslíkem z vodního sloupce.

Pod oxickou zónou následuje anaerobní suboxická zóna. V ní už není žádný kyslík (nebo jen velmi málo) a mikrobi musejí využívat k respiraci jiné TEA. Pro tuto zónu je typický vysoký podíl fakultativně anaerobních mikrobů.

Třetí a poslední zónou je zóna anoxická.

Redoxní Reakce a Fotosyntéza

Každé malé dítě ví, že rostliny potřebují zalévat a mít příjem denního světla. Nezbytnost přítomnosti vody je patrná již ze sumární reakce fotosyntézy (z vody vzniká onen pro život nepostradatelný kyslík). Ale proč slunce?

Paprsek světla obsahuje proud fotonů, které dopadají na rostliny a pronikají až do organel, které se nazývají chloroplasty. V těchto organelách se vyskytují útvary tzv. thylakoidy. Jaké molekuly se však skrývají pod těmito odborný názvy?

Jádrem celého fotosystému jsou dvě skupiny barevných organických molekul - chlorofyly (zelené) a karotenoidy (žlutooranžové), které jsou zabudovány do proteinové struktury. Tato barviva jsou zodpovědná za zbarvení rostlin.

Fluorescenční vlastnosti má i pro fotosyntézu nejdůležitější z těchto barviv chlorofyl a.

Nejprve je důležité zmínit, že zelené rostliny v thylakoidních membránách mají dva typy fotosystémů (dále jen PS) - PS I a PS II. Jejich číselné označení je dáno historicky, nejprve byl objeven PS I a pak teprve PS II.

Takto excitovaná molekula barviva se stává velmi silným redukčním činidlem, které ochotně poskytne jeden ze svých elektronů další molekulám - elektronovým přenašečům přítomným ve stejném proteinovém komplexu) a předává svůj elektron přenašeči za vzniku kationtu (chlorofyl a + foton → chlorofyl a+ + e-).

Jak už bylo zmíněno, kladně nabitý chlorofyl a ve fotosystému II je velmi silným oxidačním činidlem (silnějším než kyslík!) a „touží po elektronu". Ten mu „ochotně" poskytne v buňce vždy přítomná molekula vody, která se rozkládá za vzniku elektronů, protonů a kyslíku (2 H2O → 4H+ (proton) + 4e- (elektron) + O2).

Vraťme se znovu k energeticky bohatému elektronu poskytnutého z chlorofylu a. Ten putuje přes několik přenašečů a současně pomáhá celému komplexu přečerpávat protony přes membránu do mezimembránového prostoru thylakoidu, přitom také postupně ztrácí svou energii neboli elektrochemický potenciál.

K jeho excitaci může dojít, když doputuje na další molekulu chlorofylu a, která je tentokrát vázána do PS I. Zachytí-li tento komplex další foton, molekula chlorofylu a je schopná se excitovat, čímž zároveň dochází ke zvýšení standardního redoxního potenciálu.

Doputují-li dva elektrony excitované z PS I do ještě jednoho enzymového komplexu nacházejícího se v chloroplastu, dojde ke vzniku důležitého redukčního kofaktoru (NADPH). Tato látka, má-li jí buňka dostatek, pak slouží v dalších krocích např. k syntéze sacharidů, o níž bude pojednáno později.

Produkty světelné fáze fotosyntézy (molekuly ATP a NADPH) této fáze jsou využity ve druhé fázi fotosyntézy, kde NADPH působí jako redukční činidlo k redukci CO2 na organické molekuly a ATP jako makroergická sloučenina, která svým rozkladem dodává energii těmto procesům.

Reakci, ve které k tomuto kroku dochází, katalyzuje enzym ribulosa-1,5-bisfosfát-karboxylasa/oxygenasa známý pod názvem RuBisCO. Oxid uhličitý se zabudovává do pětiuhlíkaté sloučeniny za vzniku dvou tříuhlíkatých (organických) sloučenin ty se pak redukují pomocí NADPH dříve vytvořeného ve světelné fázi, na malé sacharidové molekuly (viz reakce Calvinova cyklu, obr. 7).

Z monosacharidů (převážně glukosy) v rostlinných buňkách vznikají složitější struktury - polysacharidy (u rostlin především škrob a celulosa). Škrob, který je v rostlinách uložen ve formě škrobových zrn, plní zásobní funkci (pro lidský organismus má stejnou funkci podobný polysacharid s názvem glykogen). Škrob je součástí i rostlinných semen.

Anorganická Chemie

Anorganická chemie je vědní obor zaměřený na vlastnosti a chování anorganických sloučenin - těch, které neobsahují vazbu uhlík-vodík. Na rozdíl od organických sloučenin mohou tyto látky sahat od jednoduchých solí, jako je chlorid sodný, až po složité minerály v zemské kůře. Tento obor zahrnuje nejen různé chemické látky, které se přirozeně vyskytují na Zemi, ale také řadu umělých látek.

Neviditelné, ale všudypřítomné anorganické sloučeniny jsou základem moderního života. Chlor ve vodě z kohoutku zajišťuje bezpečnost, lithium v bateriích pohánějících přístroje, a dokonce i fosfáty v pracích prostředcích rozkládající skvrny - to vše jsou anorganické látky.

V průmyslu je anorganická chemie katalyzátorem inovací. Vyvíjí letecké superslitiny, fotovoltaické články pro obnovitelné zdroje energie a elektronické materiály. Anorganické katalyzátory jsou klíčové pro rafinaci ropy a anorganické materiály jsou základem ve stavebnictví.

Stabilitu a reaktivitu anorganických sloučenin často určují iontové a kovalentní vazby. Iontové vazby vznikají mezi kovy a nekovy přenosem elektronů, čímž vznikají ionty, které se vzájemně přitahují. Kovalentní vazby naopak zahrnují sdílení elektronů mezi nekovovými atomy.

Redoxní reakce, při nichž jedna látka odevzdává elektrony (redukce) a druhá přijímá elektrony (oxidace), mají v anorganické chemii zásadní význam. Tyto procesy jsou klíčové pro výrobu energie v bateriích, extrakci kovů a biologických systémech, jako je fotosyntéza.

Anorganická chemie hraje klíčovou roli v materiálové vědě a inženýrství, kde pomáhá při vývoji nových materiálů se specifickými vlastnostmi. Anorganické látky jsou základem polovodičů, supravodičů a fotovoltaických článků, které mají zásadní význam v elektronice a v odvětví obnovitelných zdrojů energie.

Přínos anorganických prvků pro energetiku a udržitelnost je významný. Anorganické sloučeniny stojí v popředí vývoje technologií čisté energie, jako jsou palivové články a skladování vodíku. Mají také zásadní význam v procesech čištění vody a kontroly znečištění ovzduší, čímž přispívají k udržitelnější budoucnosti.

tags: #redoxní #reakce #v #přírodě #vysvětlení

Oblíbené příspěvky:

• Šetrné hrnky
• Znalecké posudky betonu
• Škoda Felicia 2001 a Eko Daň
• Recenze koše Bruno
• Ochrana životního prostředí