Dr Paweł Krzyczmonik Zakład Elektroanalizy i Elektrochemii UŁ 23 październik 2013
Plan wykładu Wstęp o tlenie Tlen w stanie podstawowym i wzbudzonym Tlen a problem energii zon oddychaniu RFT (reaktywne formy tlenu) czy jest się czego bać? Podsumowanie czyli gdzie leży prawda?
tlenie Tlen 2 (łac. oxygenium, ang. oxygen): gaz bezwonny, bezbarwny. cięższy od powietrza, gęstość = 1.428 g/l. temp wrzenia 90.15K, temp krzepnięcia 54.3.K W stanie ciekłym ma błękitne zabarwienie. Tlen ma własności paramagnetyczne. Znane są dwa trwałe izotopy 17 i 18 występujące w małych ilościach w tlenie naturalnym. dmiany alotropowe tlen cząsteczkowy i ozon.
tlenie 5 B 6 7 7 N C 8 8 N 9 9 F 10 Ne N 2 941 kj mol 1 2 494 kj mol 1 F 2 155 kj mol 1
Tlen w stanie podstawowym i wzbudzonym Stan trypletowy 2 podstawowy Stan singletowy 1 2 Wzbudzony 94,3 kj/mol Czas życia = 45 min Stan singletowy 1 2 Wzbudzony 158 kj/mol Czas życia = 12s
Tlen singletowy w reakcjach chemicznych + 1 2 -terpinen tlen singletowy askaridol dimetylofuran + 1 2 tlen singletowy
Tlen a problem energii Fotosynteza (gromadzenie energii) rośliny 6C 2 + 6H 2 +hν (energia świetlna) C 6 H 12 6 + 6 2 E= 2872 kj/mol Spalanie organizmy zwierzęce i człowiek C 6 H 12 6 + 6 2 + ADP + H 3 P 4 6C 2 + 7H 2 + ATP Paliwa wykorzystywane przez człowieka Węgiel Gaz ziemny Gaz prop but Benzyna C + 2 C 2 CH 4 + 2 2 C 2 + 2H 2 C 3 H 8 + 5 2 3C 2 + 4H 2 C 8 H 18 + 12,5 2 8C 2 + 9H 2 Alternatywny obieg energii Elektroliza Spalanie bezpośrednie energia na sposób ciepła lub pracy mechanicznej. Spalanie w ogniwie paliwowym energia na sposób pracy elektrycznej. 2H 2 2 + 2H 2 2H 2 + 2 2H 2
zon zon 3 : gaz bladoniebieski ocharakterystycznym zapachu. cięższy od powietrza, gęstość = 1.962g/l. temp wrzenia 161.5K, temp krzepnięcia 80K. W stanie ciekłym niebieskoczarny. - + -
zon Promieniowanie UV UV C długość fali: 100 280 nm UV B długość fali: 280 315 nm UV A długość fali: 315 400 nm Skuteczność działania warstwy 3 UV C 100% UV B 97%
zon Cykl ozonowy (Sydney Chapman 1930) + 3 2 2 2 + hν(<242 nm) 2 + 2 3 3 + hν (240-310 nm) 2 + 3 + 2 2 2 2 + 3 2 2 Freony grupa chloro i fluoropochodnych węglowodorów alifatycznych. Cząsteczki freonów nie wchodzą w reakcję z innymi substancjami i nie rozpadają się wtroposferze,mogą więc pozostawać watmosferzew stanie niezmienionym przez ponad 100 lat. Po przejściu do ozonosfery freony rozkładają się pod wpływem promieniowania ultrafioletowego na pierwiastki: węgiel, fluor i chlor. Węgiel spala się, atomy fluoru łączą się ze sobą, ale chlor jest katalizatorem rozkładuozonu wzwykłytlendwuatomowy.
zon Cykl ozonowy (Sydney Chapman 1930) + 3 2 2 2 + hν(<242 nm) 2 + 2 3 3 + hν (240-310 nm) 2 + 3 + 2 2 2 2 + 3 2 2 Freony grupa chloro i fluoropochodnych węglowodorów alifatycznych. CFCl 3 + hν CFCl 2 + Cl Cl + 3 Cl + 2 Cl + 3 Cl + 2 2 20 mln ton freonów = 20,000,000,000 kg
zon Dobry i zły ozon Dobry ozon: warstwa ozonowa w dolnej stratosferze (ok. 20 30 km nad pow. Ziemi) ok. 10 krotnie wyższe stężenie ozonu niż w troposferze Pochłaniania całkowite części UV(C) Pochłaniania znaczną części UV(B) Zły ozon: zanieczyszczenie (gazy) przemysłowe składnik białego smogu bierze udział w reakcjach fotochemicznych jest silnym utleniaczem zwiększa stężenie ozonu w troposferze problemy oddechowe u zwierząt Powoduje uszkodzenia roślin Wpływ złego ozonu na człowieka: Podrażnienia układu oddechowego bniżenie wydolności oddechowej Wzrost zachorowalności na astmę Wzrost podatności na zakaźne choroby układu oddechowego W USA wykazano korelację między stężeniem ozonu w atmosferze miast a liczbą przedwczesnych zgonów
oddychaniu ddychamy powietrzem czyli mieszaniną gazów o składzie: 78% N 2 21% 2 1% pozostałe gazy (Ar, C 2 i inne) średnie ciśnienie atmosferyczne 1013,25 hpa. Zmiany w zakresie od 965,2 hpa do 1054 hpa. Niedobór tlenu staje się niebezpieczny dla życia, gdy jego zawartość w powietrzu spada poniżej 10 12%. rganizm przeciętnego dorosłego człowieka zużywa w ciągu minuty ok. 200 cm 3 (0,3 g) tlenu
oddychaniu ciśnienia cząstkowe Ciśnienie cząstkowe (ciśnienie parcjalne) ciśnienie, jakie wywierałby dany składnik mieszaniny gazów, gdyby w tej samej temperaturze sam zajmował objętość całej mieszaniny. Tlen p = 210 hp Powietrze p=1000 hp Azot p N = 780 hp p= p N +p +p X = 780+210+10 hp= 1000 hp Pozostałe gazy p X = 10 hp
oddychaniu niska zawartość tlenu ddychanie przy obniżonym ciśnieniu alpinizm, himalaizm, lotnictwo
oddychaniu wysoka zawartość tlenu ddychanie przy podwyższonym ciśnieniu nurkowanie, prace podwodne Granica w trakcie nurkowania na powietrzu to 1,4atm, co pozwala nurkować do 56m stre zatrucie tlenem (efekt Paula Berta) postać mózgowa (CNS). Tlen to bezlitosny gaz stre zatrucie tlenem typu CNS występuje w większości przypadków bez ostrzeżenia. bjawia się wystąpieniem drgawek podobnych do ataku padaczki i prowadzi do śmierci w wyniku utonięcia. Nurek nie jest w stanie kontrolować swoich odruchów.
RFT czy jest się czego bać? Reaktywne formy tlenu (RFT) indywidua chemiczne zawierające w swoim składzie atomy tlenu z niesparowanym elektronem i zdolne do uczestniczenia w reakcjach chemicznych, które odgrywają znaczącą rolę w metabolizmie i starzeniu się organizmów żywych - anionorodnik ponadtlenkowy 2 H 2 rodnik wodoronadtlenkowy H rodnik hydroksylowy 1 2 3 tlen singletowy ozon H 2 2 nadtlenek wodoru C 6 H 12 6 + 6 2 6C 2 + 6H 2 2 +4H + + 4e 2H 2 2 + e 2 + H + + e H 2 2 +2H + +2e 2H 2 H 2 2 + 2 H + H - + 2 D-glukoza + GD(ox) kwas D-glukonowy + GD(red) GD(red) + 2 GD(ox) + H 2 2 peroksydaza H + 2H + 2 2 2H 2
RFT czy jest się czego bać? Jest źle Stres oksydacyjny, (stres tlenowy, obciążenie tlenowe) występujący w komórkach żywego organizmu jest to stan zaburzonej równowagi między antyoksydantami, czyli przeciw utleniaczami (np.: witamina C, witamina E, peroksydaza glutationu) a prooksydantami, czyli utleniaczami (np.: tiofenol fenole, oksydazy) na rzecz prooksydantów. Przyczyny powstawania stresu oksydacyjnego Podwyższone ciśnienie cząstkowe tlenu Ekspozycja na ozon Wzmożony wysiłek fizyczny Promieniowanie jonizujące Ekspozycja na niektóre substancje chemiczne Ekspozycja na dym papierosowy Ale jest też dobrze Wybuch oddechowy fagocytów. Fagocyty organizmu są w stanie wytworzyć ogromna ilość anionorodników ponadtlenkowych, które są wykorzystywane do obrony organizmy przed zakażeniem. Pojedynczy fagocyt może wytworzyć około 3.2 mln anionorodników ponadtlenkowych na sekundę.
RFT linia obrony Jak organizm broni się przed złym wpływem RFT? Niedopuszczanie do reakcji RFT ze związkami biologicznie ważnymi ( prewencja). Enzymy : dysmutaza ponadtlenkowa, katalaza, peroksydaza itp. Przerywanie łańcuchowych reakcji wolnorodnikowych i niepożądanych nierodnikowych reakcji utlenienia (interwencja). Antyoksydanty: witamina E, kwas askorbinowy, kwas moczowy itp. Usuwanie skutków reakcji RFT z biomolekułami (eliminacja i naprawa). Uszkodzenia DNA są naprawiane Uszkodzone białka są trawione szybciej
RFT Przykład działania tlenu na dopaminę procesy enzymatycznee H x H H Procesy nieenzymatycznesy H H dopamina 1/2 2 NH 2 H H NH 2 6-hydroksydopamina H 2 CH 2 CH 2 NH 2 Enzym. + H 2 2 H NH 2 noradrenalina N Fe N N melanina + melanina neutralizacja Nadmiar Powoduje nieodwracalne uszkodzenia zakończeń komórek nerwowych
Podsumowanie czyli gdzie leży prawda? Na plus Tlen jest podstawową substancją niezbędną do życia. zon w stratosferze jest substancją chroniącą życie na Ziemi przed szkodliwym promieniowaniem UV. RFT są metabolitami niezbędnymi do funkcjonowania naszych organizmów, mają duże znaczenie w funkcjonowaniu naszego układu immunologicznego. Tlen stanowi podstawowy składnik we wszystkich znanych systemach przetwarzania energii na Ziemi. Na minus Tlen podany w nadmiarze jest toksyczny. zon w troposferze jest poważnym zagrożeniem dla naszego zdrowia i życia. RFT wywołują uszkodzenia na poziome komórkowym i są jedną z przyczyn zachodzenia procesów starzenia. Nadmiar RFT wywołuje stres oksydacyjny Tlen jak każda substancja chemiczna stosowana w nadmiarze może być szkodliwa.
UWAGA TLEN! Przed użyciem skonsultuj się z chemikiem lub biochemikiem gdyż tlen niewłaściwie stosowanymożezagrażać Twojemu życiu lubzdrowiu.