Энергия жизни. От искры до фотосинтеза

Львиная доля производимой в процессе обмена веществ энергии выделяется в ходе реакций, в которых участвует атмосферный кислород. Перед тем как мы сможем свободно рассуждать об этих реакциях, надо сначала обговорить основные вещи.

Общепринятый термин для описания всех реакций, при которых в наличии имеется пламя, — «горение». Однако, после того, как Лавуазье показал, что при сгорании древесины происходит массированное соединение содержащихся в ней веществ с кислородом, распространение получило и более осмысленный термин «окисление».

Этот термин оказался не только более осмысленным, но и более общим. Процесс медленного соединения металлов с кислородом, в результате которого образуется окалина (сейчас мы называем ее оксидом), как показал Лавуазье, тоже является окислением, хотя горением его не назовешь. Иными словами, окисление — это любая реакция соединения вещества с атмосферным кислородом, независимо от того, вспыхивает ли при этой реакции пламя. Атмосферный кислород является в данном случае примером «агента окисления» (это может показаться тавтологией, но вскоре я покажу, что атмосферный кислород — не единственный распространенный в природе агент окисления).

С другой стороны, долгое время было принято говорить о процессе «восстановления» (англ. «reduction», от латинского «вести обратно») руды в состояние металла. Люди много веков наблюдали, как железо превращается в ржавчину, а большая часть металлических руд тоже похожа на ржавчину.

Обращаться с оксидами металлов, как с рудой, приходится довольно часто. Чтобы снова сделать из них металл, требуется удалить из состава оксидов атом кислорода. Так, если нагревать железную руду вместе с коксом, то атомы углерода, содержащиеся в коксе, соединятся с атомами кислорода, содержащимися в руде, оставляя металл свободным:

2Fe₂O₃ + ЗС → 3CO₂ + 4Fe.

Поскольку восстановление спровоцировал углерод, то он являет собой пример «агента восстановления».

Таким образом, окисление — это процесс добавления кислорода к веществу, а восстановление — процесс удаления кислорода из вещества. Природа этих двух процессов прямо противоположна.

Есть еще один распространенный способ устранения кислорода из соединения с металлом — обработка водородом. В этом случае водород, как и углерод, служит агентом восстановления. Он вступает в соединение с кислородом и восстанавливает, в частности, медь, после того как она окислится дочерна.

Реакции с использованием водорода вызывают особый интерес у органических химиков. Они обнаружили, что определенные химические вещества, богатые кислородом и способные окислять металлы путем формирования оксидов, имеют также и свойство «выдирать» водород из молекул органических соединений. Соответственно, эти богатые кислородом вещества, среди которых — перманганат калия (КMnO₄) и хромовокислый калий (К₂CrO₄), тоже являются агентами окисления. У ученых создалось стойкое представление, что все они отдают часть своего кислорода на окисление металлов или используют его для соединения с водородом, выцепляя его из органических молекул с последующим образованием воды. Соответственно, потеря водорода (дегидрогенизация) тоже стала рассматриваться учеными как форма окисления, даже если ни один атом кислорода к органической молекуле напрямую и не присоединялся.

Однако, если окисленную таким образом органическую молекулу обработать газообразным водородом (как правило, в присутствии какого-нибудь катализатора), реакцию окисления можно обратить вспять. Добавление водорода (гидрогенизацию) можно, таким образом, рассматривать как реакцию восстановительную, даже если опять же никакой кислород ниоткуда не извлекался.

Короче говоря, органические химики решили рассматривать окисление как добавление кислорода или удаление водорода, а восстановление — как удаление кислорода или добавление водорода.

Но и это еще не все обобщение. Металлы покрываются ржавчиной и патиной и под воздействием фтора, хлора, брома и серы, хотя ни кислород, ни водород тут вообще ни при чем. Точно таким же образом в качестве восстановительных агентов могут выступать металлический натрий, калий, магний и кальций, хотя в происходящих с их участием реакциях не затрагивается ни кислород, ни водород. Распространять термины «окисление» и «восстановление» на бесконечное множество реакций добавления и извлечения того или иного вещества казалось уже неразумным, и надо было ввести какое-то более глобальное обобщение. Оно было сделано только после открытия электронов.

В XX веке обнаружилось, что, подвергаясь окислению, вещество теряет электроны, а подвергаясь восстановлению — получает. Возникло естественное предложение вообще перестать использовать термины «окисление» и «восстановление» в связи с приобретением или потерей веществом какого-либо элемента, а пользоваться ими для обозначения процессов потери или приобретения электронов.