Окислительно восстановительный потенциал тканей

ОКИСЛИТЕЛЬНО-ВОССТАНОВИТЕЛЬНЫЙ ПОТЕНЦИАЛ (син. редокс-потенциал) — показатель окислительной или восстановительной способности любой химической окислительно-восстановительной замкнутой системы, находящейся в состоянии равновесия. Несмотря на сложность клин, интерпретации величины О.-в. п. клеток и тканей организма человека, этот показатель используется для изучения скорости ответа организма на внешние воздействия. О.-в. п. приобретает более отрицательные значения по сравнению с нормой при гипоксии, гипотермии, при действии на организм хим. реагентов, изменяющих его резистентность, в т. ч. и радиационную. После прекращения действия на организм этих факторов величина О.-в. п. возвращается к норме.

В простой химической замкнутой системе реакции окисления-восстановления протекают в обе стороны с одинаковой скоростью (см. Окислительно-восстановительные реакции), такая система (называемая иногда редокс-системой) отличается постоянством свойств во времени.

О.-в. п. определяют по формуле:

где R — газовая постоянная, T — температура в К°, F — число Фарадея, а E0 — величина, характерная для каждой окислительно-восстановительной системы и соответствующая ее О.-в. п. при отношении окисленной формы вещества к восстановленной, равном 1.

Хотя живой организм, в т. ч. и организм человека, характеризуется постоянством внутренней среды, однако биол, система принципиально отличается от истинно равновесной хим. системы. Биологическая система (см.) является открытой, а не замкнутой системой, в к-рой хим. процессы протекают необратимо, а постоянство свойств во времени поддерживается благодаря непрерывному притоку хим. веществ и энергии извне. В термодинамике (см.) такое состояние называют стационарным, а величины О.-в. п. при нем — стационарными.

Измеряемый в биол, средах О.-в. п. представляет собой суммарную величину окислительно-восстановительных потенциалов всех окислительно-восстановительных реакций, протекающих в нем; в нормально функционирующем организме О.-в. и. поддерживается во времени на постоянном уровне. Величина О.-в. п. данной биол, системы зависит от множества причин: активности оксидоредуктаз (см.), концентрации молекулярного кислорода, величины pH среды и т. д.

Определение величины О.-в. п. в биол, средах обычно производят двумя методами: колориметрическим (см. Колориметрия) и потенциометрическим (см. Биоэлектрические потенциалы, Потенциометрическое титрование). Колориметрический метод чаще всего используют для определения величины внутриклеточного О.-в. п. Однако применять его надо с известной осторожностью, т. к. индикаторы (см.) могут действовать как катализаторы окислительно-восстановительных реакций и искажать действительные значения О.-в. п., они могут также оказывать токсическое воздействие на клетку и т. п.

При определении О.-в.п. потенциометрическим методом используют металлические электроды (см.) с открытой поверхностью игольчатой или дисковой формы, сделанные из благородных металлов: платины, золота, палладия и др. Внедренный в биол, среду электрод выступает в роли донора или акцептора электронов; через нек-рое время после погружения на его поверхности устанавливается потенциал, величину к-рого измеряют с помощью потенциометра путем сравнения с величиной потенциала контрольного электрода, имеющего стабильный О.-в. п. (см. Микроэлектродный метод исследования). Таким электродом служит обычно хлорсеребряный электрод или водородный электрод (см.). Для непрерывной регистрации величины О.-в. п. измеряющий прибор может быть совмещен с самопишущим прибором. При измерениях металлический электрод вводят в ткань, напр, в мышцу или под кожу; электрод сравнения (контрольный электрод) вводят либо в ту же ткань с помощью солевого мостика, либо осуществляют его влажный контакт с поверхностью кожи. О.-в. п. устанавливается при этом не сразу, по-видимому, из-за нанесения при введении электрода нек-рой травмы. Через 5—15 мин. величина О.-в.п., регистрируемая прибором, стабилизируется. Постоянные значения О.-в. п. в норме свидетельствуют о динамическом равновесии биол, системы в условиях непрерывного сбалансированного притока хим. соединений и энергии.

Библиография: Кантере В. М., Казаков А. В. и Кулаков М. В. Потенциометрические и титрометрические приборы, М., 1970; С у м а р у к о в Г. В. Окислительное равновесие и радиочувствительность, М., 1970, библиогр.

Читайте также: Мария арбатова вышивка по ворованной ткани продолжение

Окислительно — восстановительный потенциал

Электродные потенциалы. ЭДС реакции

Окислительно — восстановительный потенциал является частным, узким случаем понятия электродного потенциала. Рассмотрим подробнее эти понятия.

В ОВР передача электронов восстановителями окислителям происходит при непосредственном контакте частиц, и энергия химической реакции переходит в теплоту.

Энергия любой ОВР, протекающей в растворе электролита, может быть превращена в электрическую энергию, если, например, окислительно-восстановительные процессы разделить пространственно, т.е. передача электронов восстановителем будет происходить через проводник электричества.

Это реализовано в гальванических элементах, где электрическая энергия получается из химической энергии окислительно-восстановительной реакции.

Элемент Даниэля-Якоби

Рассмотрим гальванический элемент Даниэля-Якоби, в котором левый сосуд наполнен раствором сульфата цинка ZnSO₄, с опущенной в него цинковой пластинкой, а правый сосуд – раствором сульфата меди CuSO₄, с опущенным в него медной пластинкой.

Взаимодействие между раствором и пластиной, которая выступает в качестве электрода, способствует тому, чтобы электрод приобрел электрический заряд.

Возникающая на границе металл-раствор электролита разность потенциалов, называется электродным потенциалом. Значение и знак (+ или -) электродного потенциала определяются природой раствора и находящегося в нем металла.

При погружении металлов в растворы их солей более активные из них (Zn, Fe и др.) заряжаются отрицательно, а менее активные (Cu, Ag, Au и др.) положительно.

Результатом соединения цинковой и медной пластинки проводником электричества, является возникновение в цепи электрического тока за счет перетекания электронов с цинковой к медной пластинке по проводнику.

При этом происходит уменьшение количества электронов в цинке, что компенсируется переходом Zn 2+ в раствор т.е. происходит растворение цинкового электрода — анода (процесс окисления).

Zn — 2e — = Zn 2+

В свою очередь, рост количества электронов в меди компенсируется разряжением ионов меди, содержащихся в растворе, что приводит к накоплению меди на медном электроде – катоде (процесс восстановления):

Cu 2+ + 2e — = Cu

Таким образом, в элементе Даниэля-Якоби происходит такая реакция:

Zn + Cu 2+ = Zn 2+ + Cu

Zn + CuSO₄ = ZnSO₄ + Cu

Количественно охарактеризовать окислительно-восстановительные процессы позволяют электродные потенциалы, измеренные относительно нормального водородного электрода (его потенциал принят равным нулю).

Чтобы определить стандартные электродные потенциалы используют элемент, одним из электродов которого является испытуемый металл (или неметалл), а другим является водородный электрод. По найденной разности потенциалов на полюсах элемента определяют нормальный потенциал исследуемого металла.

Окислительно-восстановительный потенциал

Значениями окислительно-восстановительного потенциала пользуются в случае необходимости определения направления протекания реакции в водных или других растворах.

2Fe 3+ + 2I — = 2Fe 2+ + I₂

таким образом, чтобы йодид-ионы и ионы железа обменивались своими электронами через проводник.

В сосуды, содержащие растворы Fe 3+ и I — , поместим инертные (платиновые или угольные) электроды и замкнем внутреннюю и внешнюю цепь. В цепи возникает электрический ток.

Йодид-ионы отдают свои электроны, которые будут перетекать по проводнику к инертному электроду, погруженному в раствор соли Fe 3+ :

Читайте также: Что такое лимфатическая ткань

2I — — 2e — = I₂

2Fe 3+ + 2e — = 2Fe 2+

Процессы окисления-восстановления происходят у поверхности инертных электродов. Потенциал, который возникает на границе инертный электрод – раствор и содержит как окисленную, так восстановленную форму вещества, называется равновесным окислительно-восстановительным потенциалом.

Факторы, влияющие на значение окислительно-восстановительного потенциала

Значение окислительно-восстановительного потенциала зависит от многих факторов, в том числе и таких как:

1) Природа вещества (окислителя и восстановителя)

2) Концентрация окисленной и восстановленной форм.

При температуре 25°С и давлении 1 атм. величину окислительно-восстановительного потенциала рассчитывают с помощью уравнения Нернста:

E – окислительно-восстановительный потенциал данной пары;

E°- стандартный потенциал (измеренный при C_ок = C_вос);

R – газовая постоянная (R = 8,314 Дж);

T – абсолютная температура, К

n – количество отдаваемых или получаемых электронов в окислительно-восстановительном процессе;

F – постоянная Фарадея (F = 96484,56 Кл/моль);

C_ок – концентрация (активность) окисленной формы;

C_вос– концентрация (активность) восстановленной формы.

Подставляя в уравнение известные данные и перейдя к десятичному логарифму, получим следующий вид уравнения:

При C_ок > C_вос, E > E° и наоборот, если C_ок 2- , CrO₄ 2- , MnO₄ — ) при уменьшении pH раствора окислительно-восстановительный потенциал возрастает, т.е. потенциал растет с ростом H + . И наоборот, окислительно-восстановительный потенциал падает с уменьшением H + .

4) Температура

При увеличении температуры окислительно-восстановительный потенциал данной пары также растет.

Стандартные окислительно-восстановительные потенциалы представлены в таблицах специальных справочников. Следует иметь ввиду, что рассматриваются только реакции в водных растворах при температуре ≈ 25°С.

Такие таблицы дают возможность сделать некоторые выводы:

Что можно определить по значению окислительно-восстановительного потенциала

Величина и знак стандартных окислительно-восстановительных потенциалов, позволяют предсказать какие свойства (окислительные или восстановительные) будут проявлять атомы, ионы или молекулы в химических реакциях, например

E°(F₂/2F — ) = +2,87 В – сильнейший окислитель

E°(K + /K) = — 2,924 В – сильнейший восстановитель

Окислительно-восстановительная пара будет обладать тем большей восстановительной способностью, чем больше числовое значение ее отрицательного потенциала, а окислительная способность тем выше, чем больше положительный потенциал.

Возможно определить какое из соединений одного элемента будет обладать наиболее сильным окислительными или восстановительными свойствами.

Возможно предсказать направление ОВР. Известно, что работа гальванического элемента имеет место при условии, что разность потенциалов имеет положительное значение. Протекание ОВР в выбранном направлении также возможно, если разность потенциалов имеет положительное значение. ОВР протекает в сторону более слабых окислителей и восстановителей из более сильных, например, реакция

Sn 2+ + 2Fe 3+ = Sn 4+ + 2Fe 2+

практически протекает в прямом направлении, т.к.

Cu + Fe 2+ = Cu 2+ + Fe

невозможна в прямом направлении и протекает только справа налево, т.к.

В процессе ОВР количество начальных веществ уменьшается, вследствие чего Е окислителя падает, а E восстановителя возрастает. При окончании реакции, т.е. при наступлении химического равновесия потенциалы обоих процессов выравниваются.

Если при данных условиях возможно протекание нескольких ОВР, то в первую очередь будет протекать та реакция, у которой разность окислительно-восстановительных потенциалов наибольшая.

Пользуясь справочными данными, можно определить ЭДС реакции.

Как определить электродвижущую силу (ЭДС) реакции?

Рассмотрим несколько примеров реакций и определим их ЭДС:

Чтобы определить ЭДС реакции, нужно найти разность потенциала окислителя и потенциала восстановителя

ЭДС = Е 0 _ок — Е 0 _восст

ЭДС = — 0,44 — (- 2,36) = 1,92 В

ЭДС = 0,00 — (- 2,36) = 2,36 В

ЭДС = + 0,34 — (- 2,36) = 2,70 В

Все вышеуказанные реакции могут протекать в прямом направлении, т.к. их ЭДС > 0.

Связь константы равновесия и окислительно — восстановительного потенциала

Если возникает необходимость определения степени протекания реакции, то можно воспользоваться константой равновесия.

Zn + Cu 2+ = Zn 2+ + Cu

Применяя закон действующих масс, можно записать

Здесь константа равновесия К показывает равновесное соотношение концентраций ионов цинка и меди.

Значение константы равновесия можно вычислить, применив уравнение Нернста

Подставим в уравнение значения стандартных потенциалов пар Zn/Zn 2+ и Cu/Cu 2+ , находим

В состоянии равновесия E 0 _Zn/Zn2+ = E 0 _Cu/Cu2+_, т.е.

-0,76 + (0,59/2)lgC_Zn2+ = +0,34 + (0,59/2)lgC_Cu2+, откуда получаем

Значение константы равновесия показывает, что реакция идет практически до конца, т.е. до того момента, пока концентрация ионов меди не станет в 10 37,7 раз меньше, чем концентрация ионов цинка.

Константа равновесия и окислительно-восстановительный потенциал связаны общей формулой:

lgK = (E₁ 0 -E₂ 0 )n/0,059, где

E₁ 0 и E₂ 0 – стандартные потенциалы окислителя и восстановителя соответственно

n – число электронов, отдаваемых восстановителем или принимаемых окислителем.

Если E₁ 0 > E₂ 0 , то lgK > 0 и K > 1.

Следовательно, реакция протекает в прямом направлении (слева направо) и если разность (E₁ 0 — E₂ 0 ) достаточно велика, то она идет практически до конца.

Напротив, если E₁ 0 0 , то K будет очень мала.

Реакция протекает в обратном направлении, т.к. равновесие сильно смещено влево. Если разность (E₁ 0 — E₂ 0 ) незначительна, то и K ≈ 1 и данная реакция не идет до конца, если не создать необходимых для этого условий.

Зная значение константы равновесия, не прибегая к опытным данным, можно судить о глубине протекания химической реакции. Следует иметь ввиду, что данные значений стандартных потенциалов не позволяют определить скорость установления равновесия реакции.

По данным таблиц окислительно-восстановительных потенциалов возможно найти значения констант равновесия примерно для 85000 реакций.

Как составить схему гальванического элемента?

Приведем рекомендации ИЮПАК, которыми следует руководствоваться, чтобы правильно записать схемы гальванических элементов и протекающие в них реакции:

ЭДС элемента — величина положительная, т.к. в гальваническом элементе работа производится.

Значение ЭДС гальванической цепи – это сумма скачков потенциалов на границах раздела всех фаз, но, учитывая, что на аноде происходит окисление, то из значения потенциала катода вычитают значение потенциала анода.

Таким образом, при составлении схемы гальванического элемента слева записывают электрод, на котором происходит процесс окисления (анод), а справа – электрод, на котором происходит процесс восстановления (катод).

Граница раздела фаз обозначается одной чертой — |

Электролитный мостик на границе двух проводников обозначается двумя чертами — ||

Растворы, в которые погружен электролитный мостик записываются слева и справа от него (если необходимо, здесь же указывается концентрация растворов). Компоненты одной фазы, при этом записываются через запятую.

Например, составим схему гальванического элемента, в котором осуществляется следующая реакция:

Fe 0 + Cd 2+ = Fe 2+ + Cd 0

В гальваническом элементе анодом является железный электрод, а катодом – кадмиевый.

Анод Fe 0 |Fe 2+ || Cd 2+ |Cd 0 Катод

Типичные задачи на составление схем гальванического элемента и вычисление ЭДС реакции с решениями вы найдете здесь.

Свежие записи

Балкон в многоквартирном доме: является ли он общедомовым имуществом?

Штраф за остекление балкона в 2022: что это и как избежать наказания

Штраф за мусор с балкона: сколько заплатить за выбрасывание окурков

Оформление балконного окна: выбираем шторы из органзы

Как выбрать идеальные шторы для маленькой кухни с балконом