Reduction / Oxidation

Transkript

1 H :! H.. C.. H :! H H :! H.. C.. OH :! H H :! H 3 C.. C.. OH :! H O ::! H 3 C.. C.. H O ::! H 3 C.. C.. O -! O=C=O Oxidationszahl Methan -4 Methanol -2 Ethanol -1 Acetaldehyd +1 Acetat +3 Kohlendioxyd +4 Die Verbrennung von Glucose ist eine Oxidation. Die Oxidationsstufe eines Atoms in einem Molekül ist formal definiert als die Anzahl der Bindungselektronen, die ihm aufgrund des Vergleichs der Elektronegativität seines direkten Bindungspartners zugeordnet wird. C kann in 6 verschiedenen Oxidationsstufen auftreten.

2 ! H O C! HO-C-H H Oxidationszahl C1 +1 C2 : 0 C5 C6-1 Oxidationszahl CO 2 +4 O=C=O Ø 0 D.h.: Bei der vollständigen Oxidation von Glucose zu CO 2 werden 4 Elektronen pro Kohlenstoffatom übertragen. Die Verbrennung von Glucose ist eine Oxidation. Die Oxidationsstufe eines Atoms in einem Molekül ist formal definiert als die Anzahl der Bindungselektronen, die ihm aufgrund des Vergleichs der Elektronegativität seines direkten Bindungspartners zugeordnet wird. C kann in 6 verschiedenen Oxidationsstufen auftreten. In Glucose liegt C im Durchschnitt mit der Oxidationszahl 0 vor, in CO2 mit +4.

3 ! H O C! HO-C-H H Oxidationszahl C1 +1 C2 : 0 C5 C6-1 Oxidationszahl CO 2 +4 O=C=O Ø 0 D.h.: Bei der vollständigen Oxidation von Glucose zu CO 2 werden 4 Elektronen Die Oxidationszahl ist ein Hilfsmittel zur Bestimmung der Stöchiometrie von pro Kohlenstoffatom übertragen. Redoxreaktionen. Über die Energetik macht sie keine Angaben. Die Verbrennung von Glucose ist eine Oxidation. Die Oxidationsstufe eines Atoms in einem Molekül ist formal definiert als die Anzahl der Bindungselektronen, die ihm aufgrund des Vergleichs der Elektronegativität seines direkten Bindungspartners zugeordnet wird. Die Oxidationszahl (oder -stufe) macht keine Angaben zur Energie, die bei der Oxidation gewonnen werden kann.

4 U = ( ) mv = 1,15 V +350 mv Cu Cu e - Cu Cu 2+ Zn 2+ Zn A - A mv Zn Zn e - Die Energetik von Redox-Reaktionen erfordert die Einführung von Redox-Potentialen. Sie werden klassischerweise über eletrochemische Prozesse an Halbzellen hergeleitet.

5 U = ( ) mv = 0,79 V +350 mv Cu Cu e - Cu Cu 2+ Fe 2+ Fe A - A mv Fe Fe e mv Die Energetik von Redox-Reaktionen erfordert die Einführung von Redox-Potentialen. Sie werden klassischerweise über eletrochemische Prozesse an Halbzellen hergeleitet.

6 U = ( ) - ( ) mv = 0,32 V +350 mv Cu Cu e - Zn Zn 2+ Fe 2+ Fe A - A mv Fe Fe e - Redoxpotentiale sind additiv -760 mv Zn Zn e - Die Energetik von Redox-Reaktionen erfordert die Einführung von Redox-Potentialen. Sie werden klassischerweise über eletrochemische Prozesse an Halbzellen hergeleitet.

7 Pt 2 H3O + H2 + 2 H2O Meox Mered 0 mv H2 + 2 H2O 2 H3O e - Referenz =: 0 mv H2 = 1 M (oder 1,013 bar Partialdruck) [H3O + ] = 1 M RT!E =!E - ln z F!E Redoxpotential z F cox cred Anzahl e - in Reaktion Faraday-Konstante!E ~ -400 mv unter realistischen Umweltbedingungen = C mol Das Redoxpotential muss (wie "G) mit Hilfe der Nernst-Gleichung den aktuellen Konzentrationen angepasst werden.

8 Pt 2 H3O + H2 + 2 H2O Meox Mered 0 mv H2 + 2 H2O 2 H3O e - Referenz =: 0 mv H2 = 1 M (oder 1,013 bar Partialdruck) [H3O + ] = 1 M!G = - z F!E RT!E =!E - ln z F!E Redoxpotential z F cox cred Anzahl e - in Reaktion Faraday-Konstante!E ~ -400 mv unter realistischen Umweltbedingungen = C mol Das Redoxpotential muss (wie "G) mit Hilfe der Nernst-Gleichung den aktuellen Konzentrationen angepasst werden. Es kann unter Einbeziehung der Ladungsenergie der beteiligten Ionen in freie Reaktionsenthalpie umgerechnet werden.

9 +815 mv 6 H2O O2 + 4 H3O e -!G = -z"f"!e kc ~ - 2"96,5 "0,815 V = -157 mol kj mol Pt 2 H3O + H2 + 2 H2O Meox Mered 0 mv H2 + 2 H2O 2 H3O e - Das Redoxpotential kann unter Einbeziehung der Ladungsenergie der beteiligten Ionen in freie Reaktionsenthalpie umgerechnet werden. Die Reaktion, die (biochemische) Atmung beschreibt, kann in zwei Teilreaktionen aufgeteilt werden, zwischen denen gut 800 mv Redoxpotential, oder knapp 160 jk/mol freie Standardenthalpie liegen.

10 Energetics of Life Glycogen +815 mv +750 mv +580 mv +350 mv C6H12O 6 Glucose Glucose-6-P Glycolyse 2 Pyruvat +170 mv +/- 0 mv -30 mv -170 mv -220 mv -320 mv 2 Acetyl-CoA Citrat-Zyklus oder Tricarbonsäure 2 CO 2 4 CO 2 Zyklus -430 mv -500 mv 6 O2 Atmungskette 6 H 2 O Das Redoxpotential kann unter Einbeziehung der Ladungsenergie der beteiligten Ionen in freie Reaktionsenthalpie umgerechnet werden. Die Reaktion, die (biochemische) Atmung beschreibt, kann in zwei Teilreaktionen aufgeteilt werden, zwischen denen gut 800 mv Redoxpotential, oder knapp 160 jk/mol freie Standardenthalpie liegen. In biologischen Systemen fallen die Elektronen nicht unter Standardbedingungen an, und sie fallen nicht in Form von freien Reduktionsäquivalenten an. In ihrem biologischem Kontext fallen die Elektronen auf einem Standardredoxpotential von ca mv an und werden bei +815 mv zur Reduktion von O2 benutzt.

11 Energetics of Life +815 mv +750 mv +580 mv +350 mv +170 mv +/- 0 mv -30 mv -170 mv -220 mv -320 mv FADH2 FAD -430 mv -500 mv NADH + H + NAD + Das Redoxpotential kann unter Einbeziehung der Ladungsenergie der beteiligten Ionen in freie Reaktionsenthalpie umgerechnet werden. Die Reaktion, die (biochemische) Atmung beschreibt, kann in zwei Teilreaktionen aufgeteilt werden, zwischen denen gut 800 mv Redoxpotential, oder knapp 160 jk/mol freie Standardenthalpie liegen. In biologischen Systemen fallen die Elektronen nicht unter Standardbedingungen an, und sie fallen nicht in Form von freien Reduktionsäquivalenten an. In ihrem biologischem Kontext fallen die Elektronen (meist) auf einem Standardredoxpotential von ca mv (NADH) an und werden bei +815 mv zur Reduktion von O2 benutzt. Der größte Teil der Reduktionsäquivalente stammt aus dem Citratzyklus, und dort wiederum in Form von NADH. [Die chemischen Formeln und Reaktionen brauchen Sie sich nicht zu merken.]

12 Energetics of Life +815 mv +750 mv +580 mv +350 mv +170 mv +/- 0 mv -30 mv -170 mv -220 mv -320 mv -430 mv -500 mv NADH + H + NAD + Das Redoxpotential kann unter Einbeziehung der Ladungsenergie der beteiligten Ionen in freie Reaktionsenthalpie umgerechnet werden. Die Reaktion, die (biochemische) Atmung beschreibt, kann in zwei Teilreaktionen aufgeteilt werden, zwischen denen gut 800 mv Redoxpotential, oder knapp 160 jk/mol freie Standardenthalpie liegen. In biologischen Systemen fallen die Elektronen (meist) auf einem Standardredoxpotential von ca mv (NADH) an. NADH speichert die Redoxäuquivalente in einem resonanzstabilisierten Ringsystem (Nikotinamid). [Die chemischen Formeln und Reaktionen brauchen Sie sich nicht zu merken.]