Szervetlen kénvegyületek oxidálása. A szerves anyag oxidációja - az élet alapja

Szerves anyagokkal, ezek fajtáival kapcsolatos oxidációs-redukciós reakciók, a termékek meghatározása

A szerves anyagokban lévő összes IAD 3 csoportra osztható:

Teljes oxidáció és égés

Enyhe oxidáció

Romboló oxidáció

1. Teljes oxidáció és égés. Oxigénként oxigént (más égést elősegítő anyagokat, például nitrogén-oxidokat), tömény salétromsavat és kénsavat használhatunk, melegített fázisban szilárd sókat használhatunk, oxigént szabadíthatunk fel (klorátok, nitrátok, permanganátok stb.), Egyéb oxidálószereket (pl. , réz (II) -oxid). Ezekben a reakciókban a szerves anyagban lévő összes kémiai kötés megsemmisül. A szerves anyag oxidációs termékei szén-dioxid és víz.

2. Enyhe oxidációEbben az esetben a szénlánc nem szakad meg. Az enyhe oxidáció magában foglalja az alkoholok aldehidekké és ketonokká történő oxidálását, az aldehidek karbonsavakká oxidálását, az alkének oxidációját dihidrogén alkoholokká (Wagner-reakció), az acetilén kálium-oxaláttá, toluol-benzoesavvá oxidálását stb. Ezekben az esetekben oxidálószerként kálium-permanganát, kálium-dikromát, salétromsav, ezüst-oxid, réz (II) -oxid, réz (II) -hidroxid ammóniaoldatát használjuk.

3. Romboló oxidáció. Súlyosabb körülmények között fordul elő, mint az enyhe oxidáció, és néhány szén-szén kötés megszakad. Oxidálószerként több koncentrált kálium-permanganát-oldatot és kálium-dikromátot használnak melegítés közben. Ezeknek a reakcióknak a közege lehet savas, semleges és lúgos. A reakciótermékek ezektől függenek.

Megsemmisítés (szénlánc törés)az alkénekben és alkinokban - többszörös kötésen - benzolszármazékokban - az első és a második szénatom között -, ha gyűrűből számol, tercier alkoholokban - egy hidroxilcsoportot tartalmazó atomban - ketonokban - egy karbonilcsoportot tartalmazó atomban.

Ha a pusztítás soránaz 1 szénatomot tartalmazó fragmens leesett, majd oxidálódik szén-dioxiddá (savas közegben), bikarbonátban és (vagy) karbonátban (semleges közegben), karbonátban (lúgos közegben). Minden hosszabb fragmentumot savként (savas közegben) és ezek savak sóiból (semleges és lúgos közegben) alakítunk át. Egyes esetekben nem a savak keletkeznek, hanem ketonok (a tercier alkoholok elágazásakor az elágazó csoportok a benzol homológjaiban, ketonokban alkénekben).

Az alábbi ábrák a benzolszármazékok savas és lúgos környezetben történő oxidációjának lehetséges lehetőségeit mutatják be. Különböző színek kiemelték a redox folyamatban részt vevő szénatomokat. A kiemelés lehetővé teszi, hogy nyomon követhesse az egyes szénatomok „sorsát”.

A benzol-származékok savas környezetben történő oxidálása

oxidáció  - az elektron visszacsapódása egy atom, molekula vagy ion által, az oxidáció mértékének növekedésével együtt. De ezt a definíciót követve nagyon sok szerves reakciót lehet tulajdonítani az oxidációs reakcióknak, például:

szén-szén kettős kötések kialakulásához vezető alifás vegyületek dehidrogénezése:

(a szénatom oxidációjának mértéke, amelyből a hidrogén megy, a -2 és -1 között változik),

alkán szubsztitúciós reakciók:

(a szénatom oxidációs állapota -4-ről -3-re változik),

halogének kapcsolási reakciói többszörös kötéshez:

(a szénatom oxidációs foka -1-ről 0-ra változik) és sok más reakció.

Bár formálisan ezek a reakciók az oxidációs reakciókhoz kapcsolódnak, a szerves kémia esetében azonban hagyományosan oxidáció  az a folyamat, amelyben egy funkcionális csoport átalakulása következtében egy vegyület egy kategóriából egy magasabbra megy:

alkén® alkohol ® aldehid (keton) ® karbonsav.

A legtöbb oxidációs reakció magában foglal egy oxigénatom bevitelét egy molekulába, vagy egy kettős kötés kialakulását egy meglévő oxigénatommal a hidrogénatomok elvesztése miatt.

És milyen vegyületek képesek oxigént adni a szerves anyagoknak?

Oxidálószerek

A szerves anyagok oxidációjához általában átmeneti fémek, oxigén, ózon, peroxidok és kén, szelén, jód, nitrogén és más vegyületek vegyületeit alkalmazzuk.

Az átmeneti fémeken alapuló oxidálószerek közül előnyösen króm (VI) és mangán (VII), (VI) és (IV) vegyületeket alkalmazunk.

A króm (VI) leggyakoribb vegyületei K 2 Cr 2 O 7 kálium-bikromát oldat, króm-trioxid CrO3 híg kénsavban készült oldata. johnson reagense), a króm-trioxid és a piridin és a saretta reagens  - CrO3 komplex piridinnel és HCl-dal (piridinium-klór-kromát).

Ha a szerves anyag oxidálódik, a króm (VI) bármely közegben króm (III) -ra redukálódik, azonban a szerves kémiai alkáli közegben az oxidáció nem talál gyakorlati alkalmazást.

A KMnO 4 kálium-permanganát különböző környezetben különböző oxidatív tulajdonságokkal rendelkezik, míg az oxidálószer erőssége savas környezetben nő:

Kálium-manganát K 2 MnO 4 és mangán (IV) -oxid MnO 2 oxidáló tulajdonságokat mutat csak savas környezetben.

A réz (II) -hidroxidot általában az aldehidek oxidálására használják. A reakciót melegítéssel hajtjuk végre, ugyanakkor a réz (II) kék hidroxidja először réz-hidroxiddá (I) sárga színű, amely ezután vörös rézoxiddá (I) bomlik. Az aldehidek oxidálószerként ezüst-hidroxid ammóniaoldatot is használnak ( ezüst tükör reakció)

I. A szerves anyagok oxidációjának mértékének meghatározása.

Algebrai módszer

Szerves anyagokban meghatározható az elemek oxidációjának mértéke. algebrai módszer, kiderül átlagos oxidációs sebesség. Ez a módszer a leginkább alkalmazható, ha a szerves anyag összes szénatomja a reakció végén azonos mértékű oxidációval rendelkezik (égési reakció vagy teljes oxidáció).

Gondoljuk csak meg:

1. példa. Szacharóz-kénsav-koncentrátum további oxidációval:

C12H22O11 + H2S04C02 + H20 + SO2

A szacharózban lévő szén oxidációjának mértéke: 0

Az elektronikus egyenlegben vegye figyelembe mind a 12 szénatomot:

12C 0 - 48 e ® 12C +4 48 1

oxidáció

S + 6 + 2 e ®S +4 2 24

felépülés

C12H22O11 + 24 H 2SO 4® 12CO 2 + 35H20 + 24 SO 2

A legtöbb esetben nem minden szerves anyag atomja oxidálódik, hanem csak néhány. Ebben az esetben csak az oxidáció mértékét megváltoztató atomok kerülnek be az elektronegyensúlyba, és ezért meg kell ismerni az egyes atomok oxidációjának mértékét.

2.grafikus módszerrel:

1) az anyag teljes szerkezeti képlete látható;

2) minden egyes kötés esetében a nyíl jelzi az elektron elmozdulását a legtöbb elektronegatív elemre;

3) az összes C-C kötés nem poláris;

A karboxilcsoport szén 3-at vált ki önmagából, oxidációs állapota +3, a metil-szén 3 elektront vonz a hidrogénből, és oxidációs állapota 3.

Az aldehidcsoport szénatomja 2 elektronot (+2) és 1 elektronot vonz magához (- 1) az +1 aldehidcsoport teljes szén-oxidációs fokához. A radikális szén 2 elektront vonz be a hidrogénből (-2), és 1 elektronot ad a klórhoz (+1) a szén-oxid teljes oxidációs állapotához.

N С С С ≡ С Н

1. feladat Határozzuk meg a szénatomok átlagos oxidációs fokát az algebrai módszerrel és az egyes szénatomok oxidációjának mértékét a következő vegyületek grafikus módszerével:

1) 2-aminopropán 2) glicerin 3) 1,2-diklór-propán 4) alanin

Metil-fenil-keton

Ezt a folyamatot elsősorban a mikroorganizmusok három csoportja hajtja végre: fotoszintetikus baktériumok (lila és zöld), kénbaktériumok maguk, thion baktériumok.

Viszonylag nemrégiben felfedezték, hogy néhány heterotróf baktérium van. mesentericus, te. a subtilis, az aktinomycetes, a gombák és az élesztő szerves anyag jelenlétében is képesek kén oxidálására, de ez az oldali folyamat lassú, és az oxidáció során felszabaduló energiát nem használják fel.

Fotoszintetikus baktériumok  - lila és zöld prokarióta mikroorganizmusok, amelyek főleg víztestekben élnek, és "anaerob fotoszintézist" végeznek molekuláris oxigén felszabadulása nélkül. A Bergie-determinánsban lévő összes fototróf baktérium a Rhodospirillales-rendbe az anaerob fotoszintézis képessége alapján egyesül; két rész van: Rhodospirillineae - lila (rodobacterium), Chlorobiineae - klorobaktérium (zöld baktériumok). A legtöbb fotoszintetizáló baktérium szigorú anaerob és fototróf, bár a lila és zöld baktériumok között olyan fajok vannak, amelyek a légzés következtében sötétben növekedhetnek heterotrofikusan. A fotoszintézis során hidrogén donorként a baktériumok csökkentett kéntartalmú vegyületeket, molekuláris hidrogént és néhány fajta szerves vegyületet használnak.

A Chromatiaceae, Chromatium nemzetség, kénlila baktériumok leggyakrabban tanulmányozott ródobaktérium családja. Az utóbbiak képviselői ovális vagy rúd alakúak, mobilitásuk van a poláris flagella miatt; ezek kötelező anaerob fotolitotróf organizmusok, a hidrogén-szulfidot S0-ra oxidálják és tovább SO4-2-re. Néha kéngömböcskéket helyeznek el a sejtjeikben, amelyek fokozatosan a kívülről kibocsátott szulfátokká alakulnak.

A zöld kénbaktériumok közül a Chlorobium nemzetség képviselői jól vizsgáltak. Ezek főként rúd alakú és vibrioid formák, szorozva szorozva, gyakran nyálkahártya-kapszulákkal, szigorú anaerobokkal és kötelező fotolithotrofokkal körülvéve. Sokan közülük a kén oxidációját csak a szabad kén szintjére hozják. Az elemi ként gyakran a sejteken kívül helyezik el, de a kén magában nem halmozódik fel.

A fotoszintetikus baktériumok széles körben elterjednek a víztestekben; általában olyan környezetben élnek, amely hidrogén-szulfidot (tavak, tengeri lagúnák, tavak stb.) tartalmaz és magas koncentrációját megtartja. A talajban ezek a baktériumok nem játszanak jelentős szerepet, míg a tározókban a tevékenységük nagy jelentőséggel bír.

Kénbaktériumok  - Hidrogén-szulfid jelenlétében fejlődő, színtelen mikroorganizmusok nagy csapata kéncseppeket bocsát ki a sejtekbe. A baktériumcsoport első tanulmányait S. N. Vinogradsky vezette 1887-ben, 1888-ban. Az eredeti mikrokultúra módszert alkalmazva, amely lehetővé teszi a környezet megváltoztatását és az élő tárgy hosszú távú megfigyelését, Vinogradsky megállapította, hogy a Beggiatoa sejtekben (a kénbaktériumok tipikus reprezentatívja) lerakódott kén hidrogén-szulfidból képződik, és ez a mikroorganizmus kénsavvá oxidálható. Ugyanakkor először javasolta a baktériumokban (különösen filamentes) a kemosynthesis létezésének fogalmát; szerves vegyületek hiányában növekedhetnek, és a szervetlen kén oxidációs folyamata a légzés energiaforrásaként szolgál. Azonban a legtöbb színtelen kénbaktériumban a kemoautotrófia jelenléte még mindig indokolatlan, mivel ezeket tiszta tenyészetben lehet elkülöníteni: bár a mikroorganizmusok sikeresek, nem teljesen biztosak abban, hogy az izolált törzsek ugyanolyan fiziológiával rendelkeznek, mint a természetben megfigyeltek. A S. N. Vinogradsky (1888) által a szerobaktériumoknak adott jellemzők jelenleg gyakorlatilag változatlanok maradnak.

A színtelen kénbaktériumok egy heterogén csoportot képviselnek, amely egy közös jellemzővel rendelkezik - a sejtekben a kén felhalmozódása. Ezeknek a szervezeteknek a szisztematikáját csak a nemzetség szintjére fejlesztettük ki; nem mindegyikük tekinthető szilárdnak. A GA Zavarzin (1972) morfológiai jellemzők alapján megkülönbözteti őket: fonalas, egysejtű, nagy sejtekkel, és egysejtű, kisebbekkel.

A fonalas baktériumok öt nemzetségbe tartoznak; közülük a leghíresebb a Beggiatoa, a Thiothrix és a Thioploca.

A Beggiatoa nemzetséget színtelen szálas organizmusok képviselik, amelyek trichómákat képeznek, hasonlítanak az alga-trichómákra, de az utóbbitól eltérően kén jelenlétét tartalmazzák. A trichomes, amelyek sohasem kapcsolódnak a szubsztrátumhoz, mobilitásuk van a képződött nyálka miatt, és a csekély hidrogén-szulfidtartalmú üledékes vizekben találhatók, a mikroaerofilek közé tartoznak. A víztestekben az iszap felszínén, felhalmozódásuk helyén nagy fehér foltokat vagy finom fehér hálót képeznek. Az ilyen fajok mindegyike oxidálja a hidrogén-szulfidot és a szulfidokat elemi ként, amely a külső környezetben a sejtek belsejében és hidrogén-szulfid vagy szulfid hiányában tárolódik. A sejtekben lerakódott kén kénsavvá oxidálódik és felszabadul. Fémekkel kombinálva szulfátok képződnek.

A Thiothrix nemzetség képviselői nagyon hasonlítanak a Beggiatoa nemzetség kénbaktériumaihoz, de különböznek az utóbbitól abban a tekintetben, hogy egy speciális nyálkahártyával rögzítik magukat a szubsztrátumhoz, általában a gyorsan áramló hidrogén-szulfid vizekben. A szálak feketéknek tűnnek a nagy mennyiségű lerakódott kén felhalmozódása miatt. A Thiothrix a fehér víz alatti tárgyakat egy mobil környezetben biztosítja. A tioploka csomók számos vízben találhatók az iszap felső rétegében; függőlegesen helyezkednek el, átlépik az oxidációs és redukciós horizontokat, folyamatosan és felfelé mozognak, amikor a víz az oxigénhez megy, majd az alsó hidrogén-szulfid közegbe. Sűrű nyálkahártyájukban, kitérő részekkel fedett, átlapolt trichomes (lehetnek 1-20). A tioploka baktériumokat kalciumban gazdag tengeri iszapból és édesvízi sütésből izoláltuk.

A nagysejtű egysejtes szerobaktériumok három nemzetséget képviselnek: Achromatium, Thiovulum és Macronionas: sejtek mérete minden fajban - 10-40 mikron; szétválasztás vagy szűkítés; a sejtek alakja ovális és hengeres. A kéncseppek mellett a sejtek gyakran kalcium-karbonátot tartalmaznak.

A kissejtű egysejtű formák két generációban vannak kombinálva: Thiospira és Thiobacterium. A Thiospirát kevéssé tanulmányozták. A Thiobacterium nemzetségbe három faj tartozik. Ezek a rögzített kis botok, amelyeket nyálkahártya-kapszulák vesznek körül, képesek zoogel kialakítására; a sejtekben lévő kén nem kerül elhelyezésre minden fajban.

Színtelen kénbaktériumok - tipikus vízi mikroorganizmusok - gyakori a víztestekben, ahol a hidrogén-szulfid legalább rosszul képződik. Mindegyik mikroaerofil, amely nagyon érzékeny a hidrogén-szulfid koncentrációjára: hidrogén-szulfiddal telített közegben gyorsan elpusztulnak, 40 mg / l-nél kisebb koncentrációban.

Az optimális feltételeket nem-egyensúlyi rendszerekben hozzák létre, ahol a hidrogén-szulfid lassan halmozódik fel, és lúgos vagy semleges áramlási közeg van. A színtelen kénbaktériumok közül mind az alacsony hőmérsékleten, mind a magas hőmérsékleten - akár 50 ° C-ig (hőforrásokban) is jól növekszik. Magas sókoncentrációkat képesek ellenállni és a sós tavak fekete iszapjában kialakulnak, majdnem telített sóoldatban. Még mindig a leggyakoribb az édesvizekben.

A kénbaktériumok tömeges felhalmozódása az iszap felszínén található tavakban található, ezért az iszapban felszabaduló hidrogén-szulfid oxidálódik és nem mérgezi a víz tömegét. A víz tömegének hidrogén-szulfiddal való szennyeződése esetén a baktériumok egy mélységben vagy egy ún. Ún. „Bakteriális lemez” vagy film formájában képződhetnek, amely felett nincs hidrogén-szulfid, és alatta - oxigén. Például a Fekete-tengeren egy ilyen film 200 m mélységben helyezkedik el, és megakadályozza a hidrogén-szulfid belépését ezen a szinten. Az aerob és az anaerob zónák határain elhelyezkedő kénbaktériumok kaotikus, végtelen mozdulatokban mozognak: a hidrogén-szulfid mögött, az oxigén mögött emelkedik. A hidrogén-szulfidot elemi kénvé oxidálják és a szerves anyagok szintéziséhez szükséges energiát kapják. A kemoszintetikus eljárással 25 g H 2S / m 2 oxidáció következtében évente 8 g / m 2 asszimilálható (Sorokin, 1970). A visszafolyás után az elemi kénnel dúsított mikrobás testeket a hidrogén-szulfid-zónába merítik, részben eléri az alját, ahol a kénmentesítő baktériumok részvételével a kén újra hidrogén-szulfiddá áll vissza. Feltételezzük, hogy a határoló rétegben (O 2 és H2S) a tengervíz vastagságában a hidrogén-szulfid oxidációjának első szakasza kémiai úton történik (Skopindev, 1973).

A kénbaktériumok gyakran nagy mennyiségben koncentrálódnak hidrogén-szulfid forrásokban.

A kéntartalmú baktériumok részvétele a kénciklusban valószínűleg jelentéktelen, bár jelentős szerepet játszanak a vízrétegek hidrogén-szulfid mérgezésének megelőzésében és a fémek migrációjára és lerakódására gyakorolt ​​hatásuk.

A kéntartalmú oxidáció fő szerepét a thion baktériumok adják.

Thion baktériumok - Egyetlen morfológiai és biokémiai csoport a mikroorganizmusoknak a talajban, a friss és sós vizekben, a kénbetétekben és a sziklákban. A thionos baktériumok ásványi redukált kénvegyületek, például hidrogén-szulfid, szulfidok, szulfit, tioszulfát, tetrationát, tiocianát, ditionit, valamint molekuláris kén oxidációjával energiát kapnak. A köztitermékként képződött kén a sejteken kívül helyezkedik el. Elektron akceptorként szabad oxigént és bizonyos típusú nitrát oxigént használnak. A táplálkozás típusa szerint a tionos baktériumok csoportokba oszthatók: autotrofok, mixotrófok és litoterotrófok. A legtöbb tionos baktérium aerob, bár ismertek a fakultatív anaerobok, mint például a Th. denitrifisans. Az élőhelytől függően másképp viselkednek: aerob körülmények között molekuláris oxigén részvételével eljárást hajtanak végre, anaerob körülmények között a denitrifikációra váltanak, és a nitrátokat molekuláris nitrogénre redukálják. Tionos baktériumok négy generációja ismert: Thiobacillus - rúd alakú, mozdulatlan; Thiomicrospira - spirál, mobil; Thiodendron - ovális vagy spirálisan csavart sejtek mikrofonjai, amelyek szárral vagy elágazó hyphae-val kapcsolódnak. Sulfolobus - lebomlott, csökkent sejttal. Mivel a Thiobacillus nemzetségbe tartozó baktériumok, amelyek széles körben elterjedtek a szárazföldi és vízi ökoszisztémákban, különösen aktívak a kénciklusban, főként tanulmányozzák őket.

A környezet savasságával kapcsolatban a tiobacillákat két csoportra osztják: a semleges vagy lúgos körülmények között (pH 6-9) és a savas körülmények között (acidofil) növekvő területeket. Az 1. csoport tiobacillusához az optimális pH-érték 6-9 tartományban van; a fajok: T. thioparus, T. denitrificans, T. novellus, T. tiocyanooxidans, T. neapolitanus. Mindannyian hidrogén-szulfidot, ként és tioszulfátot oxidálnak. Tekintsük a csoport leggyakrabban tanuló képviselőit.

A T. thioparus egy Beyerink által izolált autotrofikus baktérium (1904), amikor a közeg semleges, mobil (egy poláris zászlóval), a gram-negatív képes hidrogén-szulfid, hidroszulfidion és csak kalcium-szulfid oxidálására. Az oxidációs termékek kén, politionátok (elsősorban tetrationátok) és kénsav. Mikroszerofilként fejlődhet, és a savasság szempontjából nagyon instabil.

Ily módon az elemi kén felhalmozódása az alábbiak miatt alakulhat ki: a) a szulfátok redukálása deszulfuráló baktériumokkal; b) a hidrogén-szulfid oxidációja tionos baktériumok által. Az elemi kén felhalmozódik a sós tavak sáros alján, és a Kaszpi-tenger alján található, ahol az iszapból felszabaduló hidrogén-szulfid oxidációja következtében keletkezik.

Számos kén-lerakódás képződése a tionos baktériumok oxidáló aktivitásával függ össze. Az üledékes kén-lerakódások földrajzilag egybeesnek a perm, alsó kréta, paleogén, neogén gipsztartalmú sziklákkal, és a felemelt vagy víz alatti geostrukturális elemek határai mentén helyezkednek el. Gyakran az olajmezőkre szorítkozó brachyanticline-okra korlátozódik, ahol a sziklák általában töredezettek, repedtek, az anticline-ívek elpusztulnak, ami megkönnyíti a hidrogén-szulfid és a telített víz áramlását a felszínre. Itt az oxigén környezetben, bőségesen lakott a bionok, a hidrogén-szulfid oxidációs folyamata az elemi kén felhalmozódásával. Ilyen a közép-ázsiai betétek: Gaurdak, Shorsu, Kénhegyek Karakumban.

A T. tiocianooxidánok sok tekintetben hasonlítanak a T. thioparushoz, de különböznek abban, hogy a hidrogén-szulfid és a rodonit mellett oxidálódik. Ezek a baktériumok megtalálhatók (Happold, Kay, 1934), és egy tiszta tenyészetbe izolálódnak (Happold, Johnston, Rogers, 1954). Morfológiailag, T. tiocianooxidánok - botok egy poláris flagellummal, autotrofikus, aerob; számukra semleges környezet kedvező; a szerves anyag jelenléte 1% -nál nagyobb koncentrációban gátolja azok fejlődését.

T. novellus egy R. L. Starkey talajából 1934-ben felfedezett és izolált mixotróf organizmus, gram-negatív, helyhez kötött, rúd alakú, jól fejlődik a szerves közegben, de bizonyos körülmények között heterotróf táplálkozásról autotrofikusra képes.

A denitrifikáló thion baktérium egy kis, vitathatatlan bacillus, mobil, amelyet először Beierinck fedezett fel: (1904) anaerob körülmények között, oxidálja a környezetet és szervetlen vegyületeit szulfátokká, ezzel egyidejűleg csökkenti a nitrátokat molekuláris nitrogént.

Aerob körülmények között a nitrátok csökkenése nem fordul elő, és a baktériumok oxidálószerként oxigént, levegőt használnak.

A savas környezetben fejlődő mikroorganizmusok csoportja: T. ferrooxidans, T. intermedius, T. tiooxidans. A 2-4-es pH-érték számukra optimális, de 0,5 és 7 közötti pH-értéken növekszik. Az első két faj pH-ja 5-nél nem növekszik: a T. thiooxidans a természetben leginkább acidofil mikroorganizmus, mivel az életképessége körülbelül 0 ° C-on van. .

T. tiooxidans - flagellum bacillus, mobil, nyálakat, autotrofot képez, a talajban a kén bomlását tanulmányozva (Waxman, Ioffe, 1922). A közelmúltban létrehozott szerves kénvegyületek oxidálódhatnak. A szervezet által oxidált fő szubsztrátum molekuláris kén és néha tioszulfát, aerob körülmények között ez a folyamat a kénsav-izolálás szakaszába megy. Az oxidációs energiát a szén-dioxid felszívására használják. Az ilyen típusú hidrogén-szulfid és más vegyületek oxidálására való képessége még nem tisztázott, mivel ezek a vegyületek savas környezetben instabilak.

A Thion vas-oxidáló baktériumok T. ferrooxidans egy nagyon érdekes organizmus, melyet a savas vízelvezető bányák vizéről írnak le és izolálnak (Coiner, Hinkle, 1947). pH 1,7-3,5 - optimálisan, aerob. A tiobaktériumok között különleges helyet foglal el, hiszen nem csak a kénvegyületek oxidációjával nyert energiát, hanem az oxidáció során felszabaduló vas-oxidot is okozhatja. Mivel az ion Fe 2+, pH-nál<4 в стерильной среде устойчив против окисления кислородом воздуха, то Т. ferrooxidans можно было бы отнести к железобактериям, среди которых организм занимает определенную экологическую нишу, но по таксономическим признакам он ближе к тионовым бактериям, особенно Т. thiooxidans. Источник энергии для этого организма - окисление пирита, марказита, пирротина, антимонита и других сульфидов; остальные тиобактерии обладают меньшей способностью окислять нерастворимые в воде сульфиды тяжелых металлов. Окисление Fe 2+ этим организмом - сложный, до конца не выясненный процесс. Установлено, что окисление 1 г/ат Fe 2 + до трехвалентного при pH 1,5 дает энергию - 11,3 ккал и при этом выделяется теплота - 10 ккал/моль (Медведева, 1980).

A T. ferrooxidánokat a nehézfém-koncentrációval szembeni nagy ellenállás jellemzi: ellenáll a 5% -os réz-szulfát-oldatnak, 2 g / l Cu-koncentrációja vagy 1 g / l arzén, kis nitrogén-, foszfor- és enyhe levegőztetéssel alakul ki, ezért a zónában él a szulfid lerakódások oxidációja. A savas környezetben oxidált vas nem képez struktúrát, és a baktériumok sejtjei szinte mindig szabadok. A baktériumok oxidálják az elemi ként, szulfidokat, tioszulfátot, tetrationitot, hidroszulfidot. A szulfid lerakódásokban kettős funkciót hajt végre: oxidálja a szulfátok kénsavat, amely feloldja a vas-hidroxidokat, vas-oxid-szulfát keletkezik, ez utóbbi a szulfidokkal reagálva hozzájárul a kétértékű kén kémiai oxidációjához, amely a szulfidok része. hatszögletű.

Számos tionikus baktérium oxidálhatja a különböző szulfid ásványi anyagokat (Cu, Zn, Pb, Ni, Co, As), részt vesz az urán és a vanádium valenciaállapotainak változásában, ellenáll a nagy fémkoncentrációknak, a réz-szulfát oldatban alakul ki, legfeljebb 6% -os koncentrációban. Ezeknek a szervezeteknek az aktivitásának mértéke lenyűgöző. Tehát egy napig 6115 kg réz és 1706 kg cinket távolítottunk el a Degtyarskoe lerakódásból (Kravaiko et al., 1967). Számos baktérium található az érc ásványi anyagaiban, és oxidációjuk miatt a szén-dioxid asszimilálásához szükséges energiát kapják. A T. ferrooxidans nemzetséghez tartozó thionos baktériumok minden antimonbetétben találhatók. A környezet savas környezetében (pirit jelenlétében) oxidálják az antimonitot. Semleges és gyengén lúgos körülmények között más baktériumok, T. denitrificans, felgyorsíthatják az antimonit oxidációját. Az első szakaszban az antimonit kén-oxidációja T. ferrooxidánok vagy más tiobacillusok hatására történik; az antimon-szulfát instabil és hidrolizálja az Sb2-t; Antimon-peroxid, az ásványi szenarmonit képződik. A háromértékű antimon Sb 5+ magasabb oxidjaivá történő oxidálódása akkor következik be, amikor a Stibiobacter senarmontii autotrofikus mikroorganizmusnak van kitéve, amelyre a semleges környezet a legkedvezőbb. Kozmetikai mikroorganizmus oxidáló szenarmonit - Stibiobacter gen. nov .: a stibikonit csoportjának ásványi anyaga (Lyalikova, 1972).

A heterotróf baktériumok széles körben elterjedtek az ércbetétekben, amelyek geokémiai aktivitása még mindig nagyon rosszul tanulmányozott. Megállapítást nyert azonban, hogy ezek közül néhány (Pseudomonas denitrificans, P. fluorescens), amelyet szulfidércekből izoláltak, oxidálódnak. Még mindig nem világos, hogy a redukált kénvegyületek oxidációs energiáját használják-e. Nyilvánvaló, hogy aktivitásuk az ásványi anyagokat lebomló szerves savak képződéséhez kapcsolódik.

Tehát a szulfid lerakódások oxidációs zónájában keletkezik szulfát-környezet, szulfidok helyettesítik a szulfátokat, az időjárási viszonyok savasak, az ércek ásványi anyagai egyidejűleg megsemmisülnek, másodlagos ásványi anyagokkal - jarosite, goethite, anglesite, antlerite, digenit, stb. A vas-oxidok skáláját az úgynevezett „vas-kalap” alkotja. Ha a gazdaszervezetek karbonátok, akkor kénsavnak kitéve nagy mennyiségű gipsz keletkezik, a kénsav semlegesül. Ha a sziklák nem karbonátok, akkor az agresszív szulfátvizek eltávolítják az alkáli és alkáliföldfémeket, a vascsoport nehézfémjeit és másokat a vizes rétegekből szulfátok formájában; fehérített zónák jönnek létre, ahol a legstabilabb kénsav-ásványi anyagok, kvarc, maradék és kaolinit a másodlagos ásványokból.

A felszíni kijáratnál források formájában réz-, cink-, kobalt-, vas-, alumínium-, nikkel- és egyéb elemekkel dúsított savas vizek savas (thionos) solonchakok képződését okozzák. Hasonlóan a sós mocsarakban a déli urál réz-szulfid lerakódásai közelében egy nyírfa liget jelent meg a száraz sztyepp között.

A savas alsó (thionos) talajok gyakoriak a mocsaras tenger partján, a part menti Delták szárításában, mely a hidrotroillit és a pirit oxidációjával társult, amelyet a múltban a terület magasabb víztartalmával rendelkező tengeri vizek szulfátjának helyreállítása és a helyreállítási rendszer uralma okozott. A szulfidok ionos baktériumokkal történő oxidációját kénsav képződése, kalcium-karbonátok gipszel történő cseréje, alumínium és vas-oxidok feloldása alumínium képződésével: Al 2 (SO 4) 3, Fe 2 (SO 4) 3. Svédország és Finnország (a Botniai-öböl) alföldi partjainál mérsékelt szélességi körökben képződött sav-mocsaras alumínium talajok, Hollandia polderjei és menetei, nem szokatlanak a szubtrópusi és trópusi folyók deltáiban, a Murray-delta, Délkelet-Amerika, Dél-Amerika területén. helyi neve van, például: "poto-poto", "katclay" stb.

A felszínen keletkező kén-lerakódásokra jellemző a kénsav-időjárás, amely körül fényes, fehér kőzetek képződnek, a savas "vitriol" vizek nagy mennyiségű vas-szulfátot képeznek. Amikor ezek a vizek édesvízzel keverednek, a vas-oxid-hidrát (limonit) rozsdás csapadék válik ki, a kénsav-időjárás zóna kialakításával.

A szulfidércek és a kénsók kifejlesztése során a felületre kivont szulfidok oxidálódnak; savanyú vizek keletkeznek, amelyekben a bionok fejlődnek. Ezek a vizek nagyon agresszív, korrodáló fémek. Megfigyelték a vizes vizeket, amelyek pH-ja 1,5-2,0-es mennyiségű hulladéklerakókból, szétszórt szulfidokat tartalmazó széntömbökből, növényzetükből befolyó hatású, éles savasodás és talajromlás. Ezeknek az áramlatoknak a lokalizálására és semlegesítésére speciális kőszéles korlátokat helyeznek el az útjukban, savas vizekkel szennyezett talajok meszelését végzik.

Kén-izotóp frakcionálás. Négy stabil kén-izotóp van elosztva a földkéregben. A kén-izotópok aránya a különböző természeti objektumokban nem azonos. Szabványként az S 32 és S 34 arány szulfid-meteoritokban elfogadható, ahol 22,21.

A mikroorganizmusok részvételével képződött természetes kénvegyületek nehéz izotópjainak kimerülése, ezek az üledékes eredetű szulfidok és a biogén hidrogén-szulfidok; a vulkanikus sziklák szulfidjai és az elpárologtatott szulfátok ellenkezőleg, a standardhoz képest a kén könnyű izotópjával gazdagodnak.

Ha hibát talál, jelöljön ki egy szöveget, és kattintson a gombra Ctrl + Enter.

A szerves anyag oxidációja - az élet alapja

A szerves anyag és a benne levő energia, amely az asszimilációs folyamatban bármely szervezet sejtjeiben képződik, fordított folyamaton megy keresztül - disszimiláció. Amikor a disszimiláció felszabadul, a testben kémiai energiát szabadít fel az energia különböző formáira - mechanikai, termikus stb. A disszimiláció során felszabaduló energia ugyanaz az alapja, amely minden életfolyamatot - a szerves anyagok szintézisét, a szervezet önszabályozását, növekedését, fejlődését - végzi. , a reprodukció, a test külső reakciói és az élet egyéb megnyilvánulásai.

Az élő szervezetekben a disszimiláció vagy az oxidáció kétféleképpen történik. A legtöbb növényben, állatban, emberben és protozoa szervezetben a szerves anyagok oxidációja légköri oxigén részvételével történik. Ezt a folyamatot "lélegzet" vagy aerob (latin. Aer - air) folyamatnak nevezik. Egyes növénycsoportokban, amelyek levegő nélkül léteznek, az oxidáció oxigén nélkül, azaz anaerob módon történik, és fermentációnak nevezzük. Tekintsük ezeket a folyamatokat külön-külön.

A "légzés" fogalma eredetileg csak a levegő belélegzését és kilégzését jelentette a tüdőben. Ezután a sejtek és a környezet közötti gázcserét „légzésnek” nevezték - oxigénfogyasztást és szén-dioxid-kibocsátást. További mélyreható tanulmányok kimutatták, hogy a légzés nagyon összetett, többlépcsős folyamat, amely egy élő szervezet minden cellájában történik, biológiai katalizátorok - enzimek kötelező részvételével.

A szerves anyagot, mielőtt „tüzelőanyagnak” neveznénk, amely energiát ad a sejtnek és a testnek, megfelelően kell kezelni enzimekkel. Ez a kezelés magában foglalja a biopolimerek nagy molekuláinak - fehérjék, zsírok, poliszacharidok (keményítő és glikogén) - lebontását monomerekben. Ezáltal elérjük a tápanyag bizonyos univerzalizálását.

Így több száz különböző polimer helyett többféle monomert - aminosavat, zsírsavat, glicerint és glükózt - állítanak elő az állatok belében, amelyeket az állati és emberi szöveti sejtekbe a vér és a nyirokcsatornák útján juttatnak be. A sejtek tovább fokozzák ezeket az anyagokat. Minden monomert egyszerűbb szénláncú karbonsavmolekulákká alakítunk, amelyek 2-6 atomot tartalmaznak. Ha több tucat monomer van, közülük húsz aminosav, akkor csak tíz karbonsav van. Így a tápanyagok sajátossága végül elveszik.

A karbonsavak azonban csak az anyag prekurzorai, amelyek „biológiai tüzelőanyagnak” nevezhetők. Magukat a cellák energiafolyamataiban még nem lehet használni. Az egyetemesítés következő lépése a hidrogén eltávolítása a karbonsavakból. Ez szén-dioxidot (CO 2) termel, amelyet a szervezet kilégzett. A hidrogénatom egy elektronot és egy protont tartalmaz. A sejt és a szervezet egésze (bioenergia) energiája szempontjából az atomok ezen alkotórészeinek szerepe messze nem egyenértékű. Az atommagban lévő energia nem érhető el a cellában. Az elektronnak a hidrogénatomban való átalakulását az energia elengedése követi, amelyet a sejt életfolyamataiban használnak. Ezért az elektron felszabadítása véget ér a bioüzemanyag univerzalizációjának utolsó szakaszában. Ebben az időszakban a szerves anyagok, alkotórészeik és karbonsavak sajátosságai nem számítanak, mivel végül mindegyik végső soron egy energiahordozó - egy elektron - kialakulásához vezet.

A gerjesztett elektron oxigénnel kombinálódik. Miután két elektron érkezett, az oxigént negatívan töltik fel, két protont adnak hozzá és vizet képeznek. Ez a sejtes légzés cselekedete.

A sejtekben a szerves anyagok oxidációja mitokondriumokban történik, amelyek - amint azt az előző kiadványban már említettük - egy dinamó szerepe, amely a szénhidrátok és zsírok égési energiáját az adenozin-trifoszfát (ATP) energiává alakítja.

A szervezetben az oxidáció elsősorban szénhidrát. A szénhidrátok oxidációjának kezdeti és végső eljárása a következő képlettel fejezhető ki: C6H12O6 + 6O2 = 6СO 2 + 6H 2 O + energia.

Állati és növényi szervezetekben a légzés folyamata alapvetően megegyezik: biológiai jelentése mindkét esetben abból áll, hogy minden sejtből energiát kapnak a szerves anyagok oxidációjának eredményeként. Az ebben a folyamatban kialakított ATP-t energiaakkumulátorként használják. Ezzel az akkumulátorral feltöltődik az energiaigény, függetlenül attól, hogy melyik szervezetben található a sejtek.

A légzés során a növények oxigént fogyasztanak pontosan ugyanúgy, mint az állatokat, és felszabadítják a szén-dioxidot. Mind az állatokban, mind a növényekben a légzés folyamatos éjjel-nappal. A légzés megszüntetése, például az oxigén hozzáférésének megállításával, elkerülhetetlenül halálhoz vezet, mivel a sejtek létfontosságú aktivitása nem tartható fenn az energia folyamatos használata nélkül. A mikroszkóposan kicsi kivételével minden állatban az oxigén nem képes elegendő mennyiségben közvetlenül a levegő sejtjeibe és szövetébe. Ezekben az esetekben a környezettel való gázcserét speciális szervekkel (trachea, gills és tüdő) végezzük. A gerinces állatokban az egyes sejtek oxigénellátása a véren keresztül történik, és a szív és a teljes keringési rendszer munkája biztosítja. Az állatokban a gázcsere összetettsége hosszú ideig megakadályozta, hogy megtudjuk a szöveti légzés valódi lényegét és jelentőségét. Századunk tudósai nagy erőfeszítéseket tettek annak bizonyítására, hogy az oxidáció nem a tüdőben, hanem a vérben, hanem minden élő sejtben történik.

A növényi szervezetben a gázcsere mechanizmusai sokkal egyszerűbbek, mint az állatoknál. A levegő oxigénje speciális nyílásokon - a sztómákon keresztül - behatol a növények mindegyik oldalába. A növényekben lévő gázcserét a test teljes felületén végzik, és a vízvezeték-kötegeken keresztül történő vízmozgáshoz kapcsolódik.

A szabad oxigén (légköri vagy vízben oldott) oxidációjának következményeit az előzőekben már említetteknek megfelelően nevezik aerobnak. Ez a fajta cseréje jellemző a növények és állatok nagy többségére.

A lélegeztetési folyamat során a Földön élő minden élőlény évente több ezer tonna szerves anyagot oxidál. Ugyanakkor hatalmas mennyiségű energiát szabadítanak fel, amelyet az élet minden megnyilvánulásában használnak.

A francia tudósok, L. Pasteur, a múlt században megmutatták, hogy bizonyos mikroorganizmusok fejlődhetnek oxigénmentes környezetben, azaz „levegő nélkül”. Az oxigénmentes szerves anyagok oxidációját erjesztésnek nevezik, és az oxigénmentes környezetben aktív életre képes szervezeteket anaerobnak nevezzük. Így az erjesztés az anaerob típusú cserék diszimilációjának egyik formája.

Az erjesztés során a légzéssel ellentétben a szerves anyagok nem oxidálódnak a végtermékekké (CO 2 és H 2 O), de köztes vegyületek képződnek. A szerves anyagokban lévő energia nem minden esetben szabadul fel, ennek egy része a közbenső fermentáló anyagokban marad.

A fermentáció, mint a légzés, komplex kémiai reakciók sorozatán keresztül történik. Például az alkoholos fermentáció végső eredményeit a következő képlettel mutatjuk be: C6H12O6 = 2CO2 + 2C 2H 5OH + 25 kcal / g mol.

Az alkoholos erjedés eredményeképpen cukorból (glükózból) részleges oxidációs termék - etil-alkohol - keletkezik, és a szénhidrátokban található energia csak kis része szabadul fel.

Egy példa az anaerob szervezetekre élesztőgombaként szolgálhat, amelyek energiát kapnak az élethez, asszimilálják a szénhidrátokat és alkoholos erjedésnek vetik alá őket a disszimilációs folyamatban. Sok anaerob mikroorganizmus lebontja a szénhidrátokat tejsav-, vajsav-, ecetsav- és más, nem teljes oxidációs termékekkel. Bizonyos típusú baktériumok energiaforrásként nemcsak cukrokat, aminosavakat és zsírokat, hanem a vizeletben lévő állati kiválasztási termékeket, például a karbamidot és a húgysavat, valamint az ürüléket alkotó anyagokat használhatják. Még sok baktériumot elpusztító penicillint egy baktériumtípus tápanyagként használ.

Így a szerves vegyületek szintetizálásának folyamatában olyan, mintha „megőrzik” őket, vagy tárolják a szintézisükre költött kémiai kötések energiáját. Újra felszabadul a szerves anyagok bomlása során. Az energia szempontjából az élő lények, mint már említettük, nyitott rendszerek. Ez azt jelenti, hogy olyan külső energiát igényelnek, amely lehetővé teszi, hogy az élet megnyilvánulásaival elválaszthatatlan munkát végezzen, és ugyanezt az energiát szabadítsa fel a környezetbe, de károsodott formában, például hő formájában, melyet eloszlatnak. környezetre. A folyamatos szintézis és bomlás, az asszimiláció és az élő lények eloszlása ​​miatt folyamatos anyagmozgás és az energia átalakulása következik be. Milyen mennyiségű energiát abszorbeáltak, amennyit a disszimiláció során szabadítanak fel. A disszimiláció során felszabaduló energia olyan folyamatokat hajt végre, amelyek az élet lényegét és minden megnyilvánulását jellemzik.

<<< Назад

Tovább \u003e\u003e\u003e