Масса zn: Молярная масса цинка (Zn), формула и примеры
alexxlab | 03.12.1976 | 0 | Разное
Кабель оптический H+S 12-12E9/W(ZN)Y-G50
Мнемоника: 12-12E9/W(ZN)Y-G50
Артикул: 84150192
Производитель: HUBER+SUHNER
Мнемоника: 12-12E9/W(ZN)Y-G50
Производитель: HUBER+SUHNER
Одномодовое / многомодовое: одномодовое
Материал оболочки: PE
Дополнительная защита: арамид
Внешний диаметр / сечение, мм: 5,0
Предел прочности на разрыв, H: 400
Минимальный радиус изгиба, мм: 50
Раздавливающее усилие, Н/дм: 3000
Пожарная нагрузка, МДж/м: 0.75
Нижняя рабочая температура, °C: -40
Верхняя рабочая температура, °C: 70
Масса, кг/км: 20
Таблицы массы решётчатого настила
Компания РешМеталл реализует в широком ассортименте стальной решетчатый настил. Сварные и прессованные решетки используются для- решения различных производственных задач:
- в системах грязезащиты зданий,
- в качестве покрытий пола в СТО и автомастерских,
- для защиты ливневых канализаций,
- в строительстве лестниц и лестничных маршей, и т.д.
Главные причины, по которым данный материал так востребован, это прочность, универсальность использования и сравнительно небольшой вес.
Особенности массовых характеристик сварного и прессованного настила
Вес сварной решетки меньше, чем вес прессованной. Это связано с тем, что соединяющие прутки (арматура) имеют меньшую массу по сравнению с массой покровных полос в пресснастиле. Различия в массе решеток не влияют на их качество и способность выдерживать значительные ударные и весовые нагрузки.
Именно поэтому стальные решетки незаменимы:- при возведении складских стеллажей – для размещения крупногабаритных и нестандартных грузов;
- в строительстве транспортных и пешеходных мостов;
- при сооружении инженерных объектов со способностью выдерживать сосредоточенную или равномерно распределенную эксплуатационную нагрузку.
Количество несущих полос |
Размеры ячеек по осям, мм |
Размеры несущей полосы, высота/толщина, мм |
|||||||||
20/2 | 20/3 | 25/2 | 25/3 | 30/2 | 30/3 | 40/2 | 40/3 | 40/2 | 40/5 | ||
30 | 34,3*38,1 | 15 | 20 | 17 | 24 | 20 | 28 | 26 | 36 | 46 | 57 |
30 | 34,3*50,8 | 14 | 19 | 16 | 23 | 19 | 27 | 25 | 35 | 45 | 56 |
30 | 34,3*76,2 | 13 | 18 | 16 | 22 | 18 | 26 | 24 | 34 | 44 | 55 |
Размеры ячеек, мм |
Размеры несущей полосы, высота/толщина, мм | ||||||||||||
20/2 | 20/3 | 25/2 | 25/3 | 30/2 | 30/3 | 30/4 | 35/2 | 35/3 | 40/2 | 40/3 | 40/4 | 50/3 | |
33*11 | 26 | 32 | 29 | 36 | 32 | 40 | 54 | 35 | 45 | 38 | 49 | 66 | 57 |
33*33 | 16 | 22 | 19 | 26 | 22 | 30 | 40 | 25 | 34 | 27 |
38 |
52 | 47 |
Длина ступени, L+3 | Ширина ступени, В+5 |
Однократная предельная нагрузка на ступень, N |
Теоретический вес ступени, кг |
600, 30*2 | 240 | 1500 | 4,4 |
270 | 1500 | 4,9 | |
305 | 1500 | 5,4 | |
600, 30*3 | 240 | 1500 | 5,4 |
270 | 1500 | 6,0 | |
305 | 1500 | 6,7 | |
800, 30*2 | 240 | 1200 | 5,5 |
270 | 1200 | 6,1 | |
305 | 1200 | 6,8 | |
800, 30*3 | 240 | 1500 | 6,9 |
270 | 1500 | 7,7 | |
305 | 1500 | 8,6 | |
1000, 30*2 | 240 | 960 | 6,7 |
270 | 960 | 7,5 | |
305 | 960 | 8,3 | |
1000, 30*3 | 240 | 1500 | 8,5 |
270 | 1500 | 9,5 | |
305 | 1500 | 10,5 | |
1200, 40*3 | 240 | 1500 | 12,1 |
270 | 1500 | 13,6 | |
305 | 1500 | 15,2 |
Используя данные таблиц, можно теоретически рассчитать вес будущей металлоконструкции.
Zn балансировочная масса клеящихся колес с эпоксидным покрытием
Материал:Zn/цинка
LxWxH:155*18*3.8mm
Обработкаповерхности:эпоксиднымпокрытием
Преимущество:
1.200 часовсолииспытания
2.сильныхимогущественныхспомощью
3.различныхразмеров
4.ЗащищаетоткоррозииResistence
5.Профессиональныйконтролькачества, хорошаярепутация, выдающийсясервис
6.материалнепривестипродукты, экологически
7.ISO9001-2000 былпринят
Вкомплекте: 1,50 полос/коробки;100 полос/всалоне
2.Взависимостиотклиента
Доставка:5 – 7 рабочихднейпослеоплатызаранее
Сертификаты:
Онас:
Cangzhou Bomai auto accessaries Co.,Ltd былнайденв2000.Мыв компании, втомчисленаучныхисследований иразработок, производства, продаж, импортаиэкспорта.Мыпроизводим широкийспектр шинклапанов, аксессуары, колесобаланса, инструментыдляремонта ит.д.нашейпродукциибылпринятISO9001:2000 системаконтролякачествауправленияипостоянноразрабатыватьновыепродуктыдляудовлетворенияпотребительского’ s спроса.нашейпродукциибылоэкспортированоболеечемв60 странахкак Европы, АмерикииБлижнегоВостока.ВЮжнойАзииидругихстранахирегионахповсемумиру.Мыискренненадеемсянасотрудничествосвами.
Q1.Каковывашиусловияупаковки?
A:Вцеломмыупаковываемнашихсырьевыхтовароввнейтральныйбелыйящиковикоробоккоричневогоцвета.Есливамтребуетсяпакетподторговоймаркой, мыможемсделатьэтослишкомкаквашзапрос.
Q2.Каковывашиусловияплатежа?
A:T/T ИL/C частоиспользуются.Ноонможетбытьпредметомпереговороввсоответствиисобеихсторон.Мыпокажемвамфотографиипродуктовипакетов
Передтемкаквыплатите.
Q3.Каковывашиусловияпоставки?
A:EXW, ФОБ, CFR иCIF, DDU.
Q4.Какузнатьовашемсрокпоставки?
А:Какправило, длянекоторыхмалыхколичества, мыможемотправитьвамвтечение3-5 дней.Длянекоторыхкрупногозаказазайметот30 до60 днейпослеполучениявашегоавансовогоплатежа.Фактическийсрокпоставкизависитотпоэтимпунктамиколичествозаказа.
Q5:уваспроверкувсехвашихгрузовдодоставки?
Ответ:Да, унасестьконтролькачествавсехчерезнашихпроизводственныхиокончательнойпроверкивпомещениисAQL стандартныхдоотгрузки.
Q6.Выпредлагаетебесплатныеобразцы?
Да, мыделаем.Ногрузовыхперевозокбудетпозасчетпокупателяв.
Нашиуслуги
1.Мыдадимвамнашоперативныйответна любойзапросивопросы.Выможетесвязатьсясомнойвлюбоевремя.
2.OEM, покупатель, покупательметкаобслуживания доступны.
3.эксклюзивныеиуникальныерешенияможнопредоставлятьнашимклиентамвнашу хорошопрофессиональныхинженеровирабочих.
4.Мыможемпредоставить бесплатныеобразцы дляпроверки.
5.Мысертификации ISO9001.
6.специальныескидки изащитезоныпродажоказалинашемуколлектора.
7.Накапливаться доставки.
8.Упаковкаможетсделатьбрендклиента.
9.хорошее послепродажноеобслуживание.
РуководствопоремонтуДонДонг
Межкомнатные двери фабрики ProfilDoors серии ZN (Профильдорс серии ZN)
Немецкое
покрытие
Устойчивость
к влажности
Экологичные
материалы
Широкий
ассортимент
В НАЛИЧИИ НА СКЛАДЕ! ПОСТАВИМ ЗА 5 ДНЕЙ!
Изготовление нестандарта за 3-5 недель. ✓ Скидка 3% на любой заказ!
✓ Бесплатная установка дверей!
Компания ProfilDoors образована в 2002 году. В начале деятельности предприятие производило комплектующие для дверного и мебельного производства. С 2004 года налажен выпуск межкомнатных дверей. На сегодняшний день компания конкурирует с западными производителями дверей на рынке России и стран СНГ. Это результат приобретенного опыта и совместной работы с нашими немецкими и итальянскими партнерами по применению новейших технологий и материалов.Предприятие создает продукцию разнопрофильного применения и высокого качества.
СЕРИЯ X
Серия Х производства компании ProfilDoors представлена широким ассортиментом царговых дверей, основным преимуществом которых является высокая прочность и сборно-разборная конструкция.
Царговая дверь включает в себя несколько элементов – раму, состоящую из верхней и нижней царги и стоевых, и филенку. В качестве филенки, или, как ее еще называют, наполнителя, используются декорированные деревянные панели и стекло.
Повышенная прочность межкомнатных дверей серии Х также обусловлена схемой сборки. Стоевые изготавливаются по принципу “сэндвич” (МДФ + массив сосны), что позволяет добиться максимальной жесткости конструкции. Двери не рассыхаются и не деформируются под воздействием влаги и перепадов температуры.
Помимо прочности, долговременной эксплуатации дверей серии Х способствует заменяемость всех составляющих. Любая деталь или стекло при повреждении подлежит замене, что, в частности, невозможно при монолитном дверном полотне.
Одна из главных отличительных особенностей межкомнатных дверей ProfilDoors, определяющая их эксплуатационные качества и внешнюю эстетику, – внешнее покрытие “Полипропилен” (Германия). Это полипропиленовая пленка, натурально имитирующая различную древесную фактуру и являющаяся экологически безопасной, что позволяет устанавливать двери в детских садах, больницах и других общественных учреждениях. Кроме того, покрытие не выгорает под воздействием солнечных лучей, устойчиво к химическому воздействию, и, что немаловажно, не растрескивается и не отслаивается от перепадов температур и механического воздействия.
Патенты и сертификаты РФ гарантируют высокое качество, полное соответствие всем стандартам и постоянное улучшение функциональности дверей.Вся продукция, производимая компанией ProfilDoors имеeт все необходимые сертификаты, подтверждающие их полное соответствие действующим требованиям ГОСТ и ТУ.
Латунные сплавы – Свердловский металлургический завод
ЗАО “Свердловский металлургический завод” поставляет латунные сплавы.
Наименование |
Марка сплава |
Стандарт |
Масса одной чушки |
---|---|---|---|
Латунь в чушках |
ЛКС80-3-3, ЛК80-3, ЛС59-1, ЛСд, ЛС, ЛОС, ЛМцС |
ГОСТ 1020-77 |
масса до 42кг. |
Латунь в чушках |
ЛС, ЛСд, ЛК, ЛК1, ЛК2, ЛОС, ЛКС |
ТУ 1733-00195430-96-97 |
|
Латунь в чушках |
ЛМцЖ, ЛА, ЛМцСК, ЛЦ40С, ЛЦ40Сд |
||
Латунь в чушках |
ЛЦ40Мц1.5, ЛЦ40МцЗЖ, ЛЦ40МцЗА |
||
Латунь в чушках |
ЛЦ38Мц2С2, ЛЦ30А3, ЛЦ25С2, ЛМцС |
||
Латунь в чушках |
ЛЦ23А6Ж3Мц2, ЛЦ16К4, ЛЦ14К3С3 |
Латуни очень широко распространены благодаря хорошему сочетанию высоких технологических и механических свойств. Однако холодная деформация хотя и приводит к существенному увеличению прочности, одновременно очень резко снижает пластичность. После деформации в сплаве сохраняются остаточные напряжения, что приводит к самопроизвольному коррозионному растрескиванию. Этому способствует тот факт, что в атмосфере присутствуют следы аммонийных солей, аммиака, сернистых газов. Дополнительное легирование марганцем, алюминием, железом, оловом, никелем, свинцом, кремнием в небольших количествах до 2- 4% значительно улучшает свойства латуней. По сравнению со сплавами Cu-Zn, комплексное легирование латуней позволяет получить лучшую коррозионную стойкость, более высокие механические свойства,
Латуни делят на простые, содержащие только цинк, и специальные, которые помимо цинка легируются одним или несколькими элементами, отличными от цинка.
По основному дополнительному элементу специальные латуни называют: кремниевые, алюминиевые, марганцевые, оловянные, никелевые, свинцовые. Высокие технологические свойства простых латуней (кроме Л59) позволяют изготавливать из них широкий спектр разнообразных изделий. Это те изделия, которые требуют больших деформации при изготовлении: патроны, гильзы, радиаторные трубы, ленты, проволока. Специальные латуни отличаются от простых своими специфическими свойствами. Свинцовые латуни – наилучший материал для обработки резанием на станках-автоматах. Обрабатываемость резанием значительно облегчается тем, что свинец делает стружку достаточно ломкой. В то же время за счет легирования свинцом повышаются антифрикционные свойства. Алюминиевые латуни за счет сильного упрочняющего действия алюминия имеют высокие прочностные свойства.
Недостатки литейных латуней:
- При кристаллизации в отливках могут образовываться крупные усадочные раковины. Для их выведения приходится применять большие прибыли и довольно много металла переводится в отходы.
- Литейные латуни при наличии остаточных напряжений склонны к сезонному растрескиванию. Для устранения этого момента отливки отжигают при низких температурах.
- При плавке из-за большой летучести теряются большие количества цинка. Чтобы устранить этот недостаток применяют защитные покрытия.
Литейные латуни маркируют так же, как деформируемые, при одинаковости их составов для фасонного литья к наименованию марки добавляется буква Л. Для литейных латуней допускается больше примесей, чем для деформируемых. Это объясняется тем, что при фасонном литье не стоит задача обеспечивать высокую деформируемость, к тому же многие литейные латуни готовятся из лома и отходов.
Состав латуни, механические свойства латуни, назначение латуней (1 Мн/м2 ” 0,1 кгс/мм2)
Марка сплава латуни |
Состав латуни |
Предел прочности латуни sb, Мн/м2 |
Относительное удлинение латуни d, % |
Твердость латуни HB, Мн/м2 |
Возможные области применения латуней |
---|---|---|---|---|---|
Латунь ЛА77-2 |
76-79% Cu, 1,75-2,5% Al, остальное Zn |
400 |
55 |
600 |
Конденсаторные трубы латунные |
Латунь ЛАЖ60-1-1 |
58-61% Cu, 0,75-1,5% Al, 0,75-1,5% Fe, 0,1-0,6% Mn, остальное Zn |
450 |
45 |
950 |
Трубы и прутки латунные |
Латунь ЛАЖМц66-6-3-2 |
64-68% Cu, 6-7% Al, 2-4% Fe, 1,5-2,5% Mn, остальное Zn |
650 |
7 |
1600 |
Литые массивные червячные винты, гайки нажимных винтов латунных |
Латунь ЛАН59-3-2 |
57-60% Cu, 2,5-3,5% Al, 2-3% Ni, остальное Zn |
380 |
50 |
750 |
Трубы и прутки |
Латунь ЛЖМц59-1-1 |
57-60% Cu, 0,6-1,2% Fe, 0,5-0,8% Mn, 0,1-0,4% Al, 0,3-0,7% Sn, остальное Zn |
450 |
50 |
880 |
Полосы, проволока, прутки и трубы латунные |
Латунь ЛН65-5 |
64-67% Cu, 5-6,5% Ni, остальное Zn |
400 |
65 |
700 |
Манометрические трубки латунные, конденсаторные трубы латунные |
Латунь ЛО70-1 |
69-71% Cu, 1-1,5% Sn, остальное Zn |
350 |
60 |
590 |
Конденсаторные трубы, теплотехническая аппаратура латунная |
Латунь ЛС74-3 |
72-75% Cu, 2,4-3% Pb, остальное Zn |
350 |
50 |
570 |
Детали латунные часов, автомобилей |
Латунь ЛК80-3Л |
79-81% Cu, 2,5-4,5% Si, остальное Zn |
300 |
20 |
1050 |
Арматура, подвергающаяся действию воды, детали судов |
Латунь ЛКС80-3-3 |
79-80% Cu, 2,5-4,5% Si, 2-4% Pb, остальное Zn |
350 |
20 |
950 |
Литые подшипники и втулки латунные |
Латунь ЛС59 1 Механические свойства при Т=20°С |
57-60% Cu, 0,5% Fe, до 0,01% Sb, до 0,02% P, до 0,003% Bi, 0,8-1,9% Pb, 37,35-42,2% Zn |
тв. сплав 600-700, мягк. сплав 300-400 |
тв. сплав 4-6, мягк. сплав 40-50 |
950 |
Гайки, болты, шестерни, зубчатые колеса, втулки. |
Молекулярная масса цинка
Молярная масса of Zn = 65,38 г / моль
Перевести граммы цинка в моль или моль цинка в граммы
Элемент | Условное обозначение | Атомная масса | Количество атомов | Массовый процент |
Цинк | Zn | 65,38 | 1 | 100,000% |
В химии вес формулы – это величина, вычисляемая путем умножения атомного веса (в единицах атомной массы) каждого элемента в химической формуле на количество атомов этого элемента, присутствующего в формуле, с последующим сложением всех этих продуктов вместе.
Если формула, используемая при расчете молярной массы, является молекулярной формулой, вычисленная формула веса является молекулярной массой. Весовой процент любого атома или группы атомов в соединении можно вычислить, разделив общий вес атома (или группы атомов) в формуле на вес формулы и умножив на 100.
Атомные веса, используемые на этом сайте, получены от NIST, Национального института стандартов и технологий. Мы используем самые распространенные изотопы.Вот как рассчитать молярную массу (среднюю молекулярную массу), которая основана на изотропно взвешенных средних. Это не то же самое, что молекулярная масса, которая представляет собой массу одной молекулы четко определенных изотопов. Для объемных стехиометрических расчетов мы обычно определяем молярную массу, которую также можно назвать стандартной атомной массой или средней атомной массой.
Часто на этом сайте просят перевести граммы в моль. Чтобы выполнить этот расчет, вы должны знать, какое вещество вы пытаетесь преобразовать.Причина в том, что на конверсию влияет молярная масса вещества. Этот сайт объясняет, как найти молярную массу.
Используя химическую формулу соединения и периодическую таблицу элементов, мы можем сложить атомные веса и вычислить молекулярную массу вещества.
Определение молярной массы начинается с единиц граммов на моль (г / моль). При расчете молекулярной массы химического соединения он говорит нам, сколько граммов содержится в одном моль этого вещества. Вес формулы – это просто вес в атомных единицах массы всех атомов в данной формуле.
Формула веса особенно полезна при определении относительного веса реагентов и продуктов в химической реакции. Эти относительные веса, вычисленные по химическому уравнению, иногда называют весами по уравнениям.
Произошла ошибка при настройке пользовательского файла cookie
Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности. Если ваш браузер не принимает файлы cookie, вы не можете просматривать этот сайт.
Настройка вашего браузера для приема файлов cookie
Существует множество причин, по которым cookie не может быть установлен правильно.Ниже приведены наиболее частые причины:
- В вашем браузере отключены файлы cookie. Вам необходимо сбросить настройки вашего браузера, чтобы он принимал файлы cookie, или чтобы спросить вас, хотите ли вы принимать файлы cookie.
- Ваш браузер спрашивает вас, хотите ли вы принимать файлы cookie, и вы отказались. Чтобы принять файлы cookie с этого сайта, используйте кнопку «Назад» и примите файлы cookie.
- Ваш браузер не поддерживает файлы cookie. Если вы подозреваете это, попробуйте другой браузер.
- Дата на вашем компьютере в прошлом.Если часы вашего компьютера показывают дату до 1 января 1970 г., браузер автоматически забудет файл cookie. Чтобы исправить это, установите правильное время и дату на своем компьютере.
- Вы установили приложение, которое отслеживает или блокирует установку файлов cookie. Вы должны отключить приложение при входе в систему или проконсультироваться с системным администратором.
Почему этому сайту требуются файлы cookie?
Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности, запоминая, что вы вошли в систему, когда переходите со страницы на страницу.Чтобы предоставить доступ без файлов cookie потребует, чтобы сайт создавал новый сеанс для каждой посещаемой страницы, что замедляет работу системы до неприемлемого уровня.
Что сохраняется в файле cookie?
Этот сайт не хранит ничего, кроме автоматически сгенерированного идентификатора сеанса в cookie; никакая другая информация не фиксируется.
Как правило, в файлах cookie может храниться только информация, которую вы предоставляете, или выбор, который вы делаете при посещении веб-сайта.Например, сайт не может определить ваше имя электронной почты, пока вы не введете его. Разрешение веб-сайту создавать файлы cookie не дает этому или любому другому сайту доступа к остальной части вашего компьютера, и только сайт, который создал файл cookie, может его прочитать.
Цинк – Атомный номер – Атомная масса – Плотность цинка
Атомный номер цинка
Цинк – это химический элемент с атомным номером 30 , что означает, что в атомной структуре 30 протонов и 30 электронов.Химический символ для цинка – Zn .
Атомная масса цинка
Атомная масса цинка 65,409 ед.
Обратите внимание, что каждый элемент может содержать больше изотопов, поэтому полученная атомная масса рассчитывается на основе встречающихся в природе изотопов и их содержания.
Единицей измерения массы является атомная единица массы (а.е.м.) . Одна атомная единица массы равна 1,66 x 10 -24 грамм. Одна унифицированная атомная единица массы равна примерно массе одного нуклона (либо одного протона, либо нейтрона) и численно эквивалентна 1 г / моль.
Для 12 C атомная масса равна точно 12u, поскольку от нее определяется атомная единица массы. Для других изотопов изотопная масса обычно отличается и обычно находится в пределах 0,1 u от массового числа. Например, 63 Cu (29 протонов и 34 нейтрона) имеет массовое число 63, а изотопная масса в его основном ядерном состоянии равна 62, ед.
Существует две причины разницы между массовым числом и изотопной массой, известной как дефект массы:
- Нейтрон немного тяжелее , чем протон .Это увеличивает массу ядер с большим количеством нейтронов, чем протонов, относительно шкалы атомных единиц массы, основанной на 12 C с равным количеством протонов и нейтронов.
- Энергия связи ядра варьируется от ядра к ядру. Ядро с большей энергией связи имеет более низкую полную энергию и, следовательно, на более низкую массу в соответствии с соотношением эквивалентности массы и энергии Эйнштейна E = mc 2 . Для 63 Cu атомная масса меньше 63, поэтому это должен быть доминирующий фактор.
См. Также: Массовое число
Плотность цинка
Плотность цинка 7,14 г / см 3 .
Типичные плотности различных веществ при атмосферном давлении.
Плотность определяется как масса на единицу объема . Это интенсивное свойство , которое математически определяется как масса, разделенная на объем:
ρ = m / V
На словах плотность (ρ) вещества – это общая масса (m) этого вещества. деленное на общий объем (V), занимаемый этим веществом.Стандартная единица СИ составляет килограммов на кубический метр ( кг / м 3 ). Стандартная английская единица – фунтов массы на кубический фут ( фунтов / фут 3 ).
См. Также: What is Density
См. Также: Самые плотные материалы Земли
Цинк – сводка свойств
Элемент | Цинк | |
---|---|---|
Атомный номер | Символ | Zn |
Категория элемента | Переходный металл | |
Фаза в STP | Твердое тело | |
Атомная масса [аму] | 65.409 | |
Плотность при STP [г / см3] | 7,14 | |
Электронная конфигурация | [Ar] 3d10 4s2 | |
Возможные состояния окисления | +2 | |
Сродство к электрону [кДж / моль ] | – | |
Электроотрицательность [шкала Полинга] | 1,65 | |
Энергия первой ионизации [эВ] | 9,3941 | |
Год открытия | неизвестно | |
Discoverer | 5 неизвестноТермические свойства | |
Точка плавления [шкала Цельсия] | 419.53 | |
Точка кипения [шкала Цельсия] | 907 | |
Теплопроводность [Вт / м К] | 116 | |
Удельная теплоемкость [Дж / г К] | 0,39 | |
Теплота Термоядерный синтез [кДж / моль] | 7,322 | |
Теплота испарения [кДж / моль] | 115,3 |
–
–
–
Frontiers | Использование масс-спектрометрии подвижности ионов для изучения пути развертывания супероксиддисмутазы Cu / Zn
Введение
Выяснение белковых структур представляет большой интерес для биохимиков и структурных биологов, поскольку их специфические взаимодействия и расположение тесно связаны с их функцией .Таким образом, исследования структуры белка могут предоставить информацию о роли фолдинга и комплексообразования белка в биологических процессах и болезненных состояниях. В то время как конформация белков в их нативном состоянии традиционно исследовалась с использованием биофизических методов, таких как рентгеновская кристаллография, крио-электронная микроскопия (крио-ЭМ) и ядерный магнитный резонанс (ЯМР), достижения в области нативной масс-спектрометрии (МС) имеют привел к его появлению в качестве еще одного важного инструмента в отечественной структурной оценке.Нативный МС предлагает множество преимуществ по сравнению с более традиционными методами, поскольку для него требуется меньше образца по сравнению с ЯМР или рентгеновской кристаллографией, он более устойчив к гетерогенным образцам и позволяет анализировать белковые структуры, которые не принимают упорядоченного расположения, необходимого для кристаллизации. (Heck, van den Heuvel, 2004; Konijnenberg et al., 2013; Leney, Heck, 2017).
В то время как нативный МС является отличным инструментом для исследования комплексообразования белок-лиганд или связывания с белком, МС сам по себе не способен дать точные измерения относительного размера молекул этих комплексов.Таким образом, многие эксперименты с нативной масс-спектрометрией выполняются путем сочетания спектрометрии ионной подвижности и масс-спектрометрии (МС-МС). IMS представляет собой мощное дополнение к собственному анализу MS, поскольку одновременные измерения позволяют разделить аналиты на основе размера, заряда и массы в миллисекундном временном интервале (Bohrer et al., 2008). Для оценки конформации биомолекул использовались различные платформы IMS-MS, и хотя приложение электрического поля и потока газа может варьироваться, общие принципы IMS сохраняются (Wei et al., 2019). В целом, IMS – это метод газофазного разделения, который измеряет подвижность газообразного иона через инертный буферный газ, обычно азот или гелий, и под действием электрического поля (Mason and Schamp, 1958). Затем измерения подвижности ионов можно использовать для определения сечения ионно-нейтрального столкновения (CCS), молекулярного дескриптора, который дает информацию о размере молекулы (Mason and Schamp, 1958; Revercomb and Mason, 1975).
Исследование структуры белка с помощью IMS-MS было использовано для тщательного исследования конформационного ландшафта многих белков, включая убиквитин (Wyttenbach and Bowers, 2011), цитохром c (May et al., 2018) и амилоидный белок (Wyttenbach et al., 2014). Сравнение кристаллографии и исследований IMS-MS показало корреляцию между значениями CCS, предсказанными на основе кристаллических структур, и значениями, наблюдаемыми в экспериментах IMS-MS для многих белков, демонстрируя, что во многих случаях третичная структура белка сохраняется во время ионизации электрораспылением (Jurneczko and Barran, 2011 ; Роллан и Прелл, 2019). Кроме того, использование IMS-MS дает структурную информацию, выходящую за рамки того, что можно было бы вывести только на основе распределений зарядовых состояний, поскольку он позволяет анализировать несколько конформеров в одном и том же зарядовом состоянии (Smith et al., 2007). Возможность одновременного анализа как компактных, так и расширенных форм одного и того же белка открыла множество возможностей для изучения нативных белков и сделала IMS-MS подходящим методом для оценки молекулярной динамики в исследованиях сворачивания белков (Smith et al., 2007 ; Wyttenbach, Bowers, 2011; Lanucara et al., 2014; Wyttenbach et al., 2014).
В этом исследовании мы исследовали индуцированное кислотой разворачивание бычьей Cu / Zn-супероксиддисмутазы (SOD1). SOD1 – это широко распространенный антиоксидантный фермент, который служит для защиты клеток от окислительного повреждения за счет дисмутации супероксида в перекись водорода и кислород (McCord and Fridovich, 1969).В своей активной форме он представляет собой хорошо растворимый димерный металлопротеин 32 кДа, состоящий из двух мономеров, каждый с одним дисульфидным мостиком (Abernethy et al., 1974; Richardson et al., 1975). Каждый мономер связывает один ион меди, который действует как катализатор для фермента, и один ион цинка, который в первую очередь способствует стабильности белка (Tainer et al., 1983; Nedd et al., 2014). Поскольку нарушение регуляции этого белка связано с нейродегенеративными состояниями, включая болезнь Паркинсона (Choi et al., 2005; Трист и др., 2017; Tokuda et al., 2019), болезнь Альцгеймера (Choi et al., 2005) и боковой амиотрофический склероз (ALS) (Rakhit et al., 2004; Nordlund, Oliveberg, 2008; Tokuda et al., 2019), структура был тщательно исследован. В случае БАС на сегодняшний день идентифицировано более 150 мутантных форм СОД как потенциальные мутации, способствующие БАС (http://alsod.iop.kcl.ac.uk) (Abel et al., 2012). В общем, мутации способствуют усилению функции, и хотя неясно, какой механизм ответственен за фенотип заболевания, мутации действительно способствуют неправильному свертыванию белков, неполной металлизации и агрегации.Таким образом, естественная характеристика поведения сворачивания этого белка в различных степенях металлирования имеет решающее значение для понимания его природы in vivo . Благодаря наличию как дисульфидного мостика, так и металлических кофакторов, SOD1 является высокостабильным металлопротеином. Однако, если дисульфидный мостик или присутствие металлических кофакторов нарушается, мономеры SOD1 с большей вероятностью диссоциируют и теряют свои металлические кофакторы (Roberts et al., 2007; Sahawneh et al., 2010). Несколько исследовательских групп попытались использовать IMS-MS для исследования частей этого разворачивающегося пути, чтобы лучше охарактеризовать промежуточные соединения между различными состояниями белка.В одном из таких исследований, проведенном Zhuang и соавторами, сообщалось о том, как напряжение систематически денатурировало бычий SOD1 из голодимера, голомономера и апо-мономера (Zhuang et al., 2014). Исследователи наблюдали три различных димерных и два мономерных конформера при анализе образцов с помощью IMS-MS / MS, что привело их к предположению, что три отдельных пути разворачивания и диссоциации использовались ферментом (Zhuang et al., 2014). Дополнительная работа McAlary et al. использовали разворачивание, индуцированное столкновением (CIU) в сочетании с IMS-MS, чтобы изучить несколько мутаций человеческого SOD1 по сравнению с SOD1 дикого типа, и обнаружили, что шесть из семи мутантов разворачиваются посредством двух событий разворачивания (McAlary et al., 2020). Седьмой мутант, G37R, по наблюдениям, асимметрично диссоциирует, и в конечном итоге было установлено, что он имеет более высокие потребности в энергии, чем другие варианты для разворачивания (McAlary et al., 2020).
В этой рукописи мы использовали как коммерчески доступную платформу IMS-MS (DTIMS-MS) с дрейфовой трубкой, так и инструмент захваченного IMS-MS (TIMS-MS), чтобы дополнительно охарактеризовать развертывание SOD1 крупного рогатого скота путем оценки изменений на основе решения и возникновения однометаллический мономер. Чтобы оценить разворачивание SOD1, различные условия раствора с возрастающими концентрациями кислоты использовали для индукции систематической денатурации голодимера SOD1 в связанные с ним олигомеры.Этот подход обычно используется в других биофизических методах, включая спектроскопический анализ и ЯМР, для исследования множественных состояний сворачивания белков. Таким образом, одной из основных целей этого эксперимента было использование аналогичного подхода для проведения измерений CCS голодимера SOD1 и связанных с ним олигомеров, которые можно было бы сопоставить с теми, которые были исследованы с использованием других биофизических методов. При использовании различных условий растворителя прямые измерения CCS голодимера, голомономера, однометаллического мономера и апо-мономера SOD1 в их связанных растворах проводились без необходимости модификации прибора за пределами базовой модели, например те, которые необходимы для CIU.Платформа DTIMS-MS использовалась для оценки SOD1 в различных условиях решения. Затем исследовали разворачивание голодимера, и значения CCS были представлены для голодимера, голомономера, однометаллического мономера и апо-мономера. Затем результаты платформ DTIMS-MS и TIMS-MS сравнивали с измерениями CCS, предсказанными на основе кристаллов SOD1 крупного рогатого скота и структур ЯМР, чтобы оценить сходство измерений CCS и других биофизических методов.
Материалы и методы
Материалы
Лиофилизированная бычья супероксиддисмутаза 1 (SOD1) из эритроцитов (S7446-15KU) была приобретена у Sigma Aldrich (Берлингтон, Массачусетс) и восстановлена в 20 мМ ацетате аммония до концентрации 40 мкМ SOD1 без дальнейшая модификация.Вода для ЖХ-МС, ацетонитрил (ACN), ацетат аммония и муравьиная кислота (FA) были приобретены у Fisher Scientific (Хэмптон, штат Нью-Хэмпшир) и использованы в том виде, в каком они были получены.
Подготовка образца
Первоначально концентрацию белка SOD1 определяли путем измерения характеристического поглощения при 258 нм, продуцируемого Cu в активном центре фермента, с коэффициентом экстинкции 10300 M -1 см -1 (McCord и Фридович, 1969). Содержание металлов измеряли масс-спектрометрией с индуктивно связанной плазмой (ICP-MS, 7700s Agilent) путем смешивания 20 мкл 65.1 мкМ SOD с 480 мкл 1% азотной кислоты. Молярные отношения металла к белку составляли: 0,86 ± 0,1 Cu: белок и 0,88 ± 0,1 Zn: белок. Чтобы предотвратить возможность образования косолюта при скорости потока, используемой для экспериментов TIMS-MS, в условия раствора образца не добавляли никаких дополнительных Cu 2+ и Zn 2+ . Для экспериментов с естественными условиями восстановленный исходный раствор SOD1 разбавляли до конечной концентрации 20 мкМ в 30 мМ буфере ацетата аммония. Чтобы гарантировать присутствие голомономера SOD1, второй раствор SOD1 готовили до конечной концентрации 20 мкМ в 30% ACN с 100 мкМ FA.Образование апо-мономера SOD1 стимулировалось в третьем состоянии образца путем разбавления SOD1 до 20 мкМ в 30% ACN с 25 мМ FA. Все растворы были проанализированы сразу после приготовления, чтобы минимизировать потенциальную денатурацию белка.
Анализ DTIMS-MS
Для измерений DTIMS-MS растворы SOD1 вводили непосредственно в ионный источник нанораспыления Agilent (Санта-Клара, Калифорния) со скоростью 300 нл / мин с помощью шприцевого насоса (Harvard Apparatus PHD 2000; Холлистон, Массачусетс) и ионизированный при 1500 В.Источник был сопряжен с Agilent 6560 IMS-QTOF MS (Санта-Клара, Калифорния), оснащенным коммерческим газовым комплектом (Альтернативный газовый комплект, Agilent, Санта-Клара, Калифорния) и прецизионным контроллером потока (640B, MKS Instruments, Андовер, Массачусетс). . Инструментальные параметры были выбраны на основе ранее опубликованного метода, позволяющего проводить стандартизованные измерения поперечного сечения столкновений (CCS) (Stow et al., 2017). В этом методе IMS-разделение проводилось с использованием дрейфующего газа азота, поддерживаемого при постоянном давлении 3.95 Торр и единичное однородное электрическое поле 17,3 В / см. Данные масс-спектрометрии были получены в режиме положительной ионизации от 100 до 20000 m / z . Подробное описание параметров источника, параметров IMS и настроек TOF приведено в дополнительных таблицах S1 – S3.
Значения CCS для голодимера, голомономера SOD1, одиночного металл-мономера и апо-мономера определяли с использованием метода одного поля (Stow et al., 2017). При этом подходе сначала анализируется серия ионов калибровочной смеси (настраиваемая смесь Agilent) и измеряется их соответствующее время дрейфа в экспериментальных условиях, идентичных тем, которые используются для образцов белка.Эти ионы тонкой смеси хорошо охарактеризованы и обладают четко определенными значениями CCS. Время дрейфа для ионов настроенной смеси и образцов белка SOD было проанализировано с использованием Agilent IM-MS Browser версии 10.0 (Санта-Клара, Калифорния). Линейная регрессия, полученная из уравнения Мейсона-Шампа (уравнение 1) (Stow et al., 2017)
tA = βz [mimβ + mi] 1 / 2CCS + tfix, (1)затем использовалась для создания калибровочной линии. сопоставление наблюдаемых времен дрейфа ионов настроенной смеси с их значениями CCS. Полученную калибровочную линию затем использовали для расчета значений CCS для голодимера, голомономера SOD1, одного металл-мономера и апо-мономера.Затем были определены теоретические значения CCS для каждого комплекса SOD с использованием алгоритма инструмента расчета приближения проекции подвижности ионов (IMPACT) (Marklund et al., 2015) для сравнения с экспериментальными значениями CCS.
TIMS-MS Анализы
Раствор SOD1 вводили путем прямой инфузии шприцевым насосом со скоростью 1,5 мкл / мин с использованием стандартного источника ESI Apollo II (Bruker) с nanoBooster (ACN), который использовался для повышения эффективности ионизации за счет уменьшения межфазного контакта. сила капель, образованных электрораспылением.Диапазон сканирования подвижности составлял 0,95–1,65 В * с * (см 2 ) –1 со временем накопления 250 мс (рабочий цикл 100%), при установке RF воронки 1 IMS на 350 Вpp. Капиллярное напряжение было установлено на 4500 В, сухой газ 2,6 л / мин, и сухая температура установлена на 180 ° C. Диапазон масс, проанализированный в режиме положительной ионизации, составлял от 550 до 6000 m / z . Подробное описание источника и настроек TIMS можно найти на дополнительных рисунках S1-S6.
Результаты и обсуждение
IMS-MS – это мощный метод для всестороннего выяснения сворачивания и динамики белков в обстоятельствах, когда другие биофизические методы, такие как крио-ЭМ или кристаллография, не могут обнаружить промежуточные соединения, тонкие изменения или не могут работать должным образом. до низких концентраций.В своей правильно свернутой форме SOD1 существует как димер с ионами металлов Zn и Cu, связанными с каждой субъединицей мономера (Lynch et al., 2004; Ding and Dokholyan, 2008; Kayatekin et al., 2008). Однако считается, что потеря одного или обоих ионов металла ведет к нестабильности вторичной структуры белка, но в настоящее время для этих обстоятельств существуют только неполные или искусственные структуры как по данным ЯМР, так и рентгеновской кристаллографии. Поскольку было показано, что кислый (Goto et al., 1993; Konermann et al., 1997) или среды с высоким содержанием органических веществ (Partridge et al., 1999) могут быть использованы для денатурирования белков из их нативных состояний, мы использовали три различные системы растворителей для исследования промежуточных продуктов SOD1, происходящих из голодимерных форм в апо-мономеры. Значения CCS для каждого димера и мономерного комплекса исследовали в различных растворах, чтобы определить взаимосвязь между кофакторами металлов и структурной стабильностью.
SOD1 Вложенные распределения DTIMS-MS
Использование нескольких систем растворителей для исследования динамики разворачивания белков либо с помощью кислых условий (Goto et al., 1993; Konermann et al., 1997), хаотропные реагенты, такие как гидрохлорид гуанидина (Greene and Pace, 1974; Mei et al., 1992; Huerta-Viga and Woutersen, 2013), или добавление органических растворителей (Partridge et al., 1999) было обычной практикой для биофизических исследований. В этом исследовании голодимер SOD1 крупного рогатого скота был первоначально исследован в 30 мМ ацетате аммония, поскольку известно, что эта система растворителей лучше всего сохраняет нативную конформацию белковых комплексов. Затем ACN и FA использовали для систематической денатурации белковых комплексов.На рисунке 1 показаны вложенное время дрейфа DTIMS и спектры m / z для SOD1 в трех различных условиях: 30 мМ ацетата аммония (A), 30% ACN, 100 мкМ FA и 30 мМ ацетата аммония (B) и 30% ACN. , 25 мМ раствор FA и 30 мМ ацетат аммония (C). Точное значение m / z , обнаруженное для каждой формы SOD1, и соответствующий однопольный DT CCS N2 включены в дополнительный материал. Концентрации ACN и FA были выбраны на основании предыдущей работы, которая продемонстрировала, что 25 мМ FA способствовали образованию апо-мономера (Forman, Fridovich, 1973; Hayward et al., 2002), тогда как менее кислый раствор ранее использовался для исследования голомономера SOD1 (Rhoads et al., 2011).
РИСУНОК 1 . Вложенные спектры DTIMS-MS для бычьей SOD1 в (A) 30 мМ ацетата аммония; (B) 30% ACN, 100 мкМ FA и 30 мМ ацетат аммония; и (C) 30% ACN, 25 мМ FA и 30 мМ ацетат аммония. В состоянии нативного раствора (A) SOD1 в основном существовал в своей нативной форме голодимера. Однако добавление ACN и FA привело к образованию протяженного голодимера (B – C) , голомономера (B – C) , однометаллического мономера (B) и апо -мономер (С) .
В нативном растворе (рис. 1A) масс-спектр, полученный с платформы DTIMS, преимущественно состоит из голодимера SOD1 с небольшим количеством голомономера. Пики при 3144, 2858 и 2620 m / z были наиболее многочисленными и коррелировали с зарядовыми состояниями 10+, 11+ и 12+ голодимера. Интересно, что перекрывающиеся изотопные распределения наблюдались при 2,620 m / z , но разделение IMS позволило различить голодимер 12+ и голомономер 6+ из-за их резко разных размеров и миграции заряда через дрейфовую ячейку.Другие голомономеры SOD1 также наблюдались при 2246 и 1965 m / z , что соответствует зарядовым состояниям 7+ и 8+. Поскольку белки в их нативной форме ограничены по количеству поверхностного заряда, более мономодальное распределение зарядовых состояний согласуется с более компактной нативной структурой белка (Dobo, Kaltashov, 2001; Testa et al., 2011; Hall and Robinson, 2012). ; Li et al., 2017). Кроме того, наблюдаемый диапазон зарядовых состояний для голодимера согласуется с ранее описанными для нативных экспериментов МС, включающих анализ SOD1 (Borges-Alvarez et al., 2013; Чжуанг и др., 2014; Ли и др., 2017).
Вторая система растворителей, использованная для оценки DTIMS, представляла собой 30% органический растворитель (ACN) и 100 мкМ FA в 30 мМ ацетате аммония для ускорения денатурации голодимера SOD1. Эта система растворителей ранее использовалась для прямого анализа SOD1 из ткани спинного мозга (Rhoads et al., 2011), и было продемонстрировано, что она способствует образованию мономерной формы SOD1. Как и в условиях нативного раствора, голодимер наблюдался в зарядовых состояниях от 10+ до 12+ (3144, 2858 и 2620 m / z , соответственно), но также наблюдалось повышенное содержание голомономера SOD1 ( Рисунок 1B).Здесь вложенный спектр DTIMS-MS показал как расширенную, так и компактную форму для голодимера 11+ (рис. 1B), в отличие от нативного раствора, который имел только компактную форму. Подобно нативному раствору, голомономер снова присутствовал для зарядовых состояний от 6+ до 8+ (2620, 2246 и 1965 m / z , соответственно), но дополнительные пики наблюдались при более низких m / z , соответствующие более высоким зарядовым состояниям голомономера (точные значения m / z см. в дополнительном материале).Поскольку более высокие зарядовые состояния обычно связаны с более денатурированным состоянием, эти условия раствора, по-видимому, сильно влияют на структуру белка (Kaltashov and Mohimen, 2005). Однометаллическая форма голомономера также была обнаружена в этом растворе (дополнительный рисунок S7), однако недостающий металлический кофактор не может быть легко определен (точные значения m / z см. В дополнительном материале). Массы 63 Cu и 64 Zn отличаются всего на 0.999545 Да (Rhoads et al., 2013) и имеют перекрывающиеся изотопные распределения. Кроме того, большие белки часто демонстрируют широкое изотопное распределение из-за естественного содержания 13 C и других изотопов, что делает оценку количества металлов для меди и цинка чрезвычайно трудным (Rhoads et al., 2011; Xian et al., 2012 ; Rhoads et al., 2013; Adams et al., 2018). Это ранее наблюдалось на однометаллическом SOD1, измеренном в ткани спинного мозга трансгенных мышей, где авторы также не смогли различить медьсодержащую, цинкодефицитную SOD1 и цинксодержащую медьдефицитную форму SOD1 из-за перекрытие изотопного распределения белков (Rhoads et al., 2011).
Наивысшая концентрация FA (25 мМ FA) с 30% ACN и 30 мМ ацетатом аммония была затем использована для дальнейшей денатурации SOD1, как показано на рисунке 1C. Эта система растворителей ранее использовалась для нарушения структуры белка, чтобы способствовать образованию апо-формы SOD1 (Hayward et al., 2002). Как показано на рисунке 1C, это состояние раствора создавало наибольшее нарушение нативной структуры SOD1, поскольку голодимер был наименее обнаруженной формой белка. Однако голодимер все еще наблюдался в зарядовых состояниях от 10+ до 12+, подобных нативным условиям, а голодимер 11+ имел как компактную, так и протяженную форму, сравнимую с состоянием 30% ACN и 100 мкМ FA. (Рисунок 1С).Хотя голомономер присутствует в зарядовых состояниях от 6+ до 8+, в этом растворе преобладает образование апо-мономера, который также имеет самый большой диапазон зарядовых состояний из всех состояний (от 7+ до 16+, точное значение ). m / z подробно описаны в дополнительном материале). Поскольку предыдущие исследования коррелировали увеличение состояния заряда с большей площадью поверхности, этот раствор, по-видимому, отдает предпочтение наиболее удлиненной денатурированной версии белка (Kaltashov and Mohimen, 2005; Testa et al., 2011).
DTIMS-анализ голодимерных комплексов SOD1
Чтобы представить более подробную структурную информацию для SOD1, DT CCS N2 Значения для каждого пика димера в трех системах растворителей были оценены с помощью DTIMS (см. Дополнительный материал для однополевые расчеты CCS и соответствующий% RSD). В то время как голодимер SOD1 был обнаружен во всех трех условиях раствора, его содержание сильно уменьшалось по мере увеличения количества органических и кислотных веществ. Исследование распределения времени прибытия (ATD) для голодимера в нативном растворе (30 мМ ацетат аммония) показало компактный, мономодальный ATD для состояния заряда 10+ с DT CCS N2 2693 Å 2 (рис. 2А).Несколько большее значение DT CCS N2 2743 Å 2 было отмечено для состояния заряда 11+, что согласуется с предыдущими исследованиями белков IMS-MS, поскольку повышенное состояние заряда вызывает расширение белка из-за отталкивания зарядов. В то время как состояние заряда 10+ сохраняло свое компактное мономодальное распределение даже в самых жестких условиях раствора (30% ACN и 25 мМ FA), значение DT CCS N2 увеличилось до 2716 Å, 2 или на ∼1% больше, чем что наблюдается в родном решении, демонстрируя небольшое расширение.Однако холо-димер ATD 11+ разительно отличался в условиях самого жесткого раствора, поскольку присутствовали три конформации (рис. 2В). Здесь самая маленькая структура была похожа на нативную форму (2,735 Å 2 ), но возникли две новые расширенные формы (3,237 Å 2 и 3,556 Å 2 ). Хотя IMS-MS ранее не использовался для исследования воздействия кислых и органических растворов SOD1, путь разворачивания голодимера SOD1 был изучен с использованием CIU и IMS-MS бегущей волны (TWIMS-MS).В этом исследовании подобное явление в голодимере 11+ в нативном растворе наблюдалось при увеличении напряжения конуса образца (Zhuang et al., 2014).
РИСУНОК 2 . Распределение времени прибытия (ATD) для голодимера SOD1 в (A) 30 мМ ацетата аммония и (B) 30% ACN, 25 мМ FA и 30 мМ ацетата аммония. Голодимер в нативном состоянии показал компактный мономодальный ATD как для состояний заряда 10+, так и для 11+. В условиях самого жесткого раствора, примененного (B) , наблюдаемый DT CCS N2 голодимера с зарядовым состоянием 10+ слегка увеличился, а в зарядовом состоянии 11+ обнаружились три мономодальные конформации, одна из которых была аналогична наблюдаемой в (A) , а две дополнительные структуры имели более высокие значения DT CCS N2 , что подразумевает образование протяженных голодимеров.
DTIMS-MS Анализ мономеров SOD1
Роль металлических лигандов на ферментативную активность и структурную стабильность SOD1 также представляет большой интерес. В первую очередь, ион меди в каждой субъединице SOD1 отвечает за каталитическую активность, в то время как тесно координированный ион цинка сохраняет свою структуру. Кроме того, термодинамическая (Lindberg et al., 2002; Stathopulos et al., 2003) и кинетическая стабильность (Lynch et al., 2004) SOD1 связана с его металлическими лигандами. Таким образом, понимание роли, которую эти ионы металлов играют в формировании третичной и четвертичной структуры белка SOD1, является неотъемлемой частью понимания их биологических последствий.Учитывая важность металлических кофакторов в стабилизации SOD и тот факт, что количество мономеров увеличивалось при добавлении органического и кислотного растворителя, были оценены ATD для голомономера, однометаллического мономера и апо-мономера. На рис. 3 показано состояние самого низкого заряда (7+) различных обнаруженных мономеров SOD1. Голомономер SOD1 наблюдался как в 30% ACN, так и в 100 мкМ FA (рис. 3A), а также в растворах 30% ACN и 25 мМ FA (рис. 3B). Поскольку голомономер SOD1 содержит один ион Cu 2+ и Zn 2+ на мономерное звено, ожидалось, что он будет в основном в своей компактной форме.Это имело место для раствора 30% ACN и 100 мкМ FA, где наблюдалось, что голомономер в основном находится в своей компактной форме с расчетным значением DT CCS N2 , равным 1,670 Å 2 . Однако увеличение концентрации FA до 25 мМ привело к разнице между DT CCS N2 и ATD для одного и того же состояния заряда (рис. 3B). В этих условиях голомономер 7+ проявлял небольшое уплотнение в структуре и заметную протяженную структуру со значениями DT CCS N2 , равными 1,656 Å, 2 и 2,105 Å, 2 .Такое удлинение голомономера в условиях более высокой кислоты подразумевает дальнейшую денатурацию голодимера в условиях этого раствора. Кроме того, 100 мкМ FA и 30% ACN также способствовали образованию однометаллического мономера SOD1, но, как отмечалось ранее, массовое разрешение масс-спектрометра TOF было недостаточным для определения того, какой металлический кофактор был потерян (Rhoads et al., 2011 ; Rhoads et al., 2013), поэтому значения ATD и DT CCS N2 обозначены неоднозначно.Однако, чтобы определить влияние потери кофактора одного металла на третичную структуру субъединицы, DT CCS N2 и ATD голомономера и однометаллического мономера сравнивали при самом низком зарядовом состоянии, наблюдаемом для обеих форм. Подобно голомономеру, ATD зарядового состояния 7+ однометаллического мономера демонстрирует компактную конформацию с DT CCS N2 размером 1,697 Å 2 (рис. 3C), что на 2% больше. чем у голомономера (1,670 Å 2 ) в том же растворе.Как упоминалось ранее, добавление 30% ACN и 25 мМ FA способствует образованию апо-мономера. При сравнении эквивалентного зарядового состояния и раствора голомономера SOD1 и апо-мономера апо-мономер имел больший DT CCS N2 как для его расширенной, так и для компактной формы, а расширенная форма была преобладающим конформером. присутствует (рисунок 3D). Кроме того, апо-мономер ATD не смог вернуться к исходному уровню между двумя конформациями, что указывает на присутствие промежуточных структур (рис. 3D).
РИСУНОК 3 . ATD для голомономера SOD1 в (A) 30% ACN, 100 мкМ FA и 30 мМ ацетате аммония и (B) 30% ACN, 25 мМ FA и 30 мМ ацетат аммония, а также мономер металла (C) и апо-мономер SOD1 (D) .
Нестабильность, возникающая в результате разной степени металлизации, продемонстрированная этими данными, полностью согласуется с информацией, полученной с помощью других биофизических методов (Lynch et al., 2004; Робертс и др., 2007; Нордлунд и Оливеберг, 2008 г .; Nedd et al., 2014). Однако одним из основных преимуществ использования IMS-MS для характеристики структуры белка является возможность одновременно исследовать несколько состояний белка, что исключает рентгеновский кристаллографический анализ или анализ ЯМР. Предыдущее исследование кинетики кислотно-индуцированного разворачивания SOD1 с использованием флуоресценции продемонстрировало, что апо-протеин демонстрирует более высокую скорость разворачивания, чем голопротеин, и получает структурную стабильность благодаря присутствию его металлических кофакторов (Lynch et al., 2004). В этом исследовании Lynch и др. (Lynch et al., 2004) авт. Наблюдали серию фаз разворачивания, особенно для апо-мономера SOD1. Это согласуется с ATD, наблюдаемыми для апо-мономера, которые имеют очевидные промежуточные конформеры между компактной и протяженной конформациями. Однако присутствие металлов в мономере привело к наблюдению мономодальных ATD для мономера SOD1 при самом низком наблюдаемом зарядовом состоянии. Этот вывод был подтвержден несколькими дополнительными исследованиями, которые показывают, что кофакторы металлов в SOD1 играют важную роль в поддержании структуры белка (Roberts et al., 2007; Нордлунд и Оливеберг, 2008). Действительно, хотя Zn 2+ , по-видимому, является кофактором, наиболее ответственным за поддержание структуры белка, потеря одного металлического кофактора не вызывает полного нарушения третичной структуры белка (Roberts et al., 2007; Nedd et al. др., 2014). Таким образом, наши данные о монометаллическом мономере SOD1 с почти мономодальным ATD согласуются.
Чтобы лучше охарактеризовать взаимосвязь между металличностью и зарядовым состоянием субъединиц SOD1, были наложены ATD для голомономера и монометаллического мономера, и были изучены расхождения между ними (рис. 4).Расхождения в ATD между голомономером и мономером из одного металла при более низких наблюдаемых зарядовых состояниях, таких как зарядовое состояние 8+, выявляют различия между двумя формами белка. В состоянии заряда 8+ голомономер имел мономодальный ATD, в основном состоящий из компактного мономера, в то время как мономер из одного металла имел как существенно компактную, так и протяженную форму, каждый из которых имел более высокое время прибытия, чем голомономер. Когда состояние заряда увеличивалось до 9+, голомономер также проявлял как компактную, так и расширенную форму со значениями DT CCS N2 , равными 1767 Å, 2 и 2,267 Å 2 .Кроме того, ATD для голомономера не вернулся к исходному уровню, что указывает на промежуточные соединения между компактным и удлиненным голомономером SOD1 (рис. 4). Однометаллический мономер имел аналогичное ATD в этом зарядовом состоянии, демонстрируя компактную и протяженную конформацию и многочисленные промежуточные соединения. В конечном итоге по мере увеличения зарядового состояния холо- и однометаллический мономеры начали сближаться. Как видно на рисунке 4, ATD для состояния заряда 10+ сдвигается к более заметному перекрытию для двух форм SOD1 и остается верным для остальных состояний с более высоким зарядом.Пример этого увеличенного перекрытия можно увидеть в состоянии заряда 14+, где значения DT CCS N2 для голомономера и однометаллического мономера SOD1 находились в пределах инструментальной погрешности друг друга (~ 0,3%). Кроме того, отталкивание в зарядовых состояниях, по-видимому, преодолевает любое структурное преимущество, которое металлический кофактор может приписать структуре монометалла или голомономера, позволяя белку удлиниться в его протяженную конформацию независимо от степени металлизация.
РИСУНОК 4 . Сравнение ATD SOD1 для голомономера и однометаллического мономера для зарядовых состояний 8+, 9+, 10+ и 14+ в 30% ACN, 100 мкМ FA и 30 мМ ацетате аммония. В состоянии заряда 8+ компактный голомономер был немного меньше, чем мономер из одного металла, в то время как в расширенных состояниях значения DT CCS N2 были аналогичны. Когда состояние заряда увеличивалось, ATD голомономера и монометаллического мономера начали перекрываться, демонстрируя одинаковую протяженность.
Чтобы продолжить изучение металлических эффектов, были исследованы ATD в возрастающем зарядовом состоянии апо-мономера (рис. 5), которые показали аналогичные результаты для мономера из одного металла и голомономера (рис. 4). В более низких зарядовых состояниях (7+ и 8+) для апо-мономера существует четкое различие между компактной и расширенной формами с промежуточными конформациями между двумя распределениями, как показано серой полосой (Рисунок 5). По мере увеличения зарядового состояния апо-мономер демонстрировал равное количество между компактной и протяженной конформациями (11+), а затем сдвиг в расширенную конформацию (> 11+), где в зарядовом состоянии 16+ наиболее протяженное состояние апо -мономер, измеренный 3,608 Å, 2, .
РИСУНОК 5 . ATD для апо-мономера SOD1, наблюдаемые в 30% ACN с 25 мМ FA для обнаруженного диапазона зарядового состояния от 7+ до 16+. Нижние зарядовые состояния выявили как протяженные, так и компактные структуры с признаками промежуточных соединений (обозначены серыми столбцами). Кроме того, после зарядового состояния 10+ наблюдались мономодальные протяженные конформеры.
Путь развертывания для SOD1
Для полного понимания промежуточных продуктов развертывания и пути, происходящего в SOD1, экспериментальные значения DT CCS N2 , полученные при различных условиях раствора и зарядовых состояниях, были нанесены на график для всех комплексов SOD1 (Рисунок 6).Состояние самого низкого заряда, наблюдаемое для голодимера SOD1 (10+), было приписано его нативной компактной форме (горизонтальная линия, обозначенная на рисунке 6). Однако в денатурирующих условиях состояние заряда 11+ выходит из компактной формы, что обозначено оранжевыми прямоугольниками (Фиг.6). Затем были изучены тенденции изменения мономера. Как и ожидалось, самое низкое наблюдаемое состояние заряда для голомономера (6+, обозначено горизонтальной линией на рисунке 6) имело наименьшее наблюдаемое DT CCS N2 .Однако после денатурации и увеличения зарядового состояния для голомономера наблюдались четыре отдельные области удлинения (обозначенные как E1-E4 на рисунке 6). Эта тенденция началась в зарядовом состоянии 9+, где наблюдался сдвиг от компактной формы SOD1 и первой области удлинения SOD1. Кроме того, в то время как и одиночный металл, и апо-мономер наблюдались из зарядовых состояний от 7+ до 9+ как в расширенной, так и в компактной форме, их расширенная форма попадала во вторую область удлинения мономера.По мере того, как состояние заряда продолжало увеличиваться, также увеличивалось DT CCS N2 голомономера, однометаллического мономера и апо-мономеров. Как видно из ATD для моно-металла и голомономера на рисунке 4, после состояния заряда 10+ ATD для разных мономеров начинают совпадать, и разница в DT CCS N2 для двух была в пределах инструментальной ошибки. В этот момент кажется, что удлинение мономеров в первую очередь обусловлено кулоновским отталкиванием в газовой фазе.Самый большой наблюдаемый DT CCS N2 был апо-мономером 16+ с DT CCS N2 3608 Å 2 . Эта форма апо-мономера SOD1 является наиболее развернутой конформацией мономера SOD1, скорее всего, из-за газофазного кулоновского отталкивания и отсутствия металлических кофакторов. Эти экспериментальные значения DT CCS N2 могут служить отправной точкой для моделирования молекулярной динамики для дальнейшего выяснения структурных изменений, связанных с повышением зарядовых состояний.
РИСУНОК 6 . DT CCS N2 в зависимости от трендов состояния заряда для комплексов SOD1, иллюстрирующих его режимы разворачивания. Наинизшие наблюдаемые зарядовые состояния (рассматриваемые как компактная форма) для голодимера и голомономера обозначены горизонтальными линиями, а протяженность показана различными областями, обведенными кружками. Для мономера SOD1 по мере увеличения зарядового состояния наблюдались четыре отдельные области удлинения (с E1 по E4), что указывает на то, что удлинение является ступенчатым процессом.Значения расширенного голодимера DT CCS N2 также показали, что после денатурации он может существовать в двух других формах.
Данные о развертывании, наблюдаемые на рисунке 6, и порядок появления различных олигомеров в условиях раствора (рисунки 1A – C) позволили выяснить общий путь развертывания SOD1 (рисунок 7) при использовании этих условий раствора. Этот путь начинается с голодимера SOD1, который наиболее часто встречается в нативном растворе.Затем наблюдали удлинение голодимера при зарядовом состоянии 11+ и диссоциацию димера на мономерные звенья SOD1, когда раствор был модифицирован из нативных условий. При промежуточном pH и органических условиях (30% ACN с 100 мкМ FA) наблюдалось повышенное количество голомономера наряду с образованием монометаллического мономера. Более жесткие условия раствора (дополнительная ЖК) затем способствовали образованию апо-мономера. Предлагаемый здесь путь разворачивания согласуется с другими исследованиями, касающимися разворачивания голодимера SOD1, которые предлагают многоступенчатый путь денатурации для белка (Arnesano et al., 2004; Дусетт и др., 2004; Ray et al., 2004). Диссоциация голодимера вскоре сопровождается потерей кофакторов металлов, что еще больше дестабилизирует белковые мономеры, что в конечном итоге приводит к образованию апо-белка (Mei et al., 1992; Assfalg et al., 2003; Arnesano и др., 2004). Важно отметить, что в других условиях раствора могут быть достигнуты дополнительные способы диссоциации и удлинения этого белка. Т.о., хотя эти данные демонстрируют потенциальный путь разворачивания для голодимера SOD1, возможно, что путь разворачивания зависит от раствора.Тем не менее, возможность прямого измерения промежуточного поперечного сечения может помочь в выяснении структурных изменений, которые способствуют возникновению болезненных состояний, таких как БАС. Более того, некоторые из форм, наблюдаемых в этом пути разворачивания, ранее были измерены непосредственно в ткани спинного мозга трансгенных мышей с использованием MS (Rhoads et al., 2011). В частности, формы с дефицитом металлов представляют большой интерес, поскольку это состояние считается нестабильным промежуточным звеном, которое приводит к токсичности, наблюдаемой при БАС (Rhoads et al., 2011; Hilton et al., 2015).
РИСУНОК 7 . Обзор разворачивающегося пути SOD1, наблюдаемого из данных DTIMS DT CCS N2 . Нативная структура SOD1 представляет собой голодимер, состоящий из двух мономеров, каждый из которых содержит один ион Zn 2+ и один ион Cu 2+ . После добавления кислоты в раствор голодимер SOD1 удлинялся и диссоциировал на голомономеры. Голомономеры были дополнительно денатурированы из своего нативного состояния за счет потери металлического лиганда, что привело к образованию монометаллического мономера.Дальнейшая потеря дополнительного иона металла привела к образованию апо-мономера, который простирался до самых больших значений DT CCS N2 , наблюдаемых для всех белковых структур.
Сравнение значений CCS с использованием DTIMS-MS и TIMS-MS
Поскольку это приложение демонстрирует большую полезность IMS для конформационного анализа белков, для исследования SOD1 в естественных условиях использовались два метода IMS, платформы Agilent DTIMS и Bruker TIMS ( 30 мМ ацетат аммония).Использование DTIMS для измерения CCS больших молекулярных комплексов имеет богатую основу в научной литературе, включая исследование нативной структуры многих белков, таких как убиквитин (Wyttenbach and Bowers, 2011), амилоид-β (Wyttenbach et al., 2014). ), цитохром С (Клеммер и др., 1995; Шелимов и др., 1997; Мэй и др., 2018) и миоглобин (Мэй и др., 2018). Напротив, инструменты TIMS для анализа нативных белков стали применяться совсем недавно. Этот метод создает уникальные проблемы для естественного анализа МС, поскольку он зависит от радиочастотного удержания ионов, отделяя их подвижность от временной области (Ridgeway et al., 2018). Использование радиочастотного ограничения увеличивает потенциал радиочастотного нагрева ионов, который может изменять конформацию белков по сравнению с их нативным состоянием (Benigni et al., 2016). Таким образом, в этом исследовании параметры Bruker TIMS были тщательно отобраны, чтобы свести к минимуму радиочастотное нагревание SOD1 и связанных олигомеров. Типичные спектры для данных, полученных из измерений TIMS-MS, показаны на дополнительных рисунках S8-S9. При сравнении значений CCS оба инструмента показали отличную корреляцию друг с другом.При оценке голомономера 7+ в 30 мМ ацетате аммония, DTIMS сообщил о значении DT CCS N2 , равном 1,653 Å, 2 , в то время как TIMS был лишь немного больше (0,7%), измеряя 1,663,5 Å 2. . CCS для голодимера 10+ SOD1 с использованием DTIMS составлял 2694 Å 2 и 2629 Å 2 с TIMS, на 2,4% меньше. Затем экспериментальные значения для платформ DTIMS и TIMS сравнивали с расчетными значениями CCS, рассчитанными на основе кристаллической структуры SOD с использованием IMPACT (Marklund et al., 2015). IMPACT – это алгоритм, который быстрее вычисляет структуры белка формы CCS по сравнению с другими подходами, такими как MobCal, что делает его привлекательным вариантом для исследований структурной протеомики. IMPACT может предоставить теоретические значения CCS, используя как проекционное приближение, так и метод траектории. Для этих экспериментов стандартные настройки для IMPACT использовались для расчета теоретических значений CCS на основе ЯМР и рентгеновских кристаллических структур, полученных из PDB, и полученные в результате метода траектории предсказанные значения CCS сравнивались с экспериментально полученными измерениями CCS в одном поле.Чтобы оценить взаимосвязь между нашими экспериментальными значениями и значениями, полученными из IMPACT, необходимо было сначала исследовать нативный голодимер SOD1. Поскольку голодимер является нативной формой бычьего SOD1, данные как ЯМР, так и кристаллографии, касающиеся структуры белка, доступны в Protein Data Bank (PDB) (https://www.rsbc.org) (Berman et al., 2000). ). Для вычислительных расчетов CCS использовались следующие структуры: PDB ID: 1E9P для данных кристаллографии (Hough et al., 2000) и 1L3N для сравнения ЯМР (Banci et al., 2002). Экспериментальные и теоретические значения CCS голодимера SOD1 в его самом низком наблюдаемом зарядовом состоянии показаны в таблице 1. Результаты траекторного метода (TJM) для голодимера 10+ SOD1 с использованием IMPACT предсказали CCS 2 701 Å 2. при использовании кристаллической структуры (PDB ID: 1E9P) для прогнозирования CCS. По сравнению с экспериментальными результатами, полученными на платформе DTIMS, теоретическое значение CCS отличалось на 0,3%, тогда как значение TIMS CCS было на 2,7% меньше. CCS, предсказанный на основе структуры ЯМР, был немного больше, чем предсказанный данными кристаллографии, измеряя при 2722 Å 2 .Это показало аналогичное согласие с экспериментальными данными DTIMS и TIMS, которые различались на 1 и 3,5% соответственно. Однако стоит отметить, что структура ЯМР голодимера SOD1, использованная для этого расчета, на самом деле была средним значением нескольких структур, составляющих ансамбль структур, соответствующих данным ЯМР, таким образом, более высокая разница между экспериментальными и расчетными значениями CCS может относиться к слабо стесненным конструкциям. Аналогичным образом существует структура ЯМР апо-состояния SOD1 (PDB ID: 1RK7) (Banci et al., 2003), который продемонстрировал разницу на 2,3% с структурой, измеренной на платформе DTIMS, однако, поскольку с помощью TIMS были выполнены только измерения в собственном растворе, значение CCS для апо-мономера не было доступно для сравнения.
ТАБЛИЦА 1 . Сравнение расчетных значений CCS предсказанных кристаллографических и ЯМР данных с экспериментальными данными платформ DTIMS и TIMS для голодимера SOD1. Расчетные значения CCS были определены с использованием метода траектории (TJM) с использованием IMPACT.
Заключение
В этом исследовании IMS-MS использовалась для изучения как структуры, так и развертывания SOD1, а также оценки путей, которые нельзя было изучить с помощью других биоаналитических методов. При применении нескольких условий раствора для систематической денатурации голодимера наблюдали первое удлинение, за которым следовала диссоциация на голо-, однометаллические и апомономерные звенья SOD1. Было обнаружено, что потеря кофакторов металлов дополнительно дестабилизирует белковые мономеры, что в конечном итоге приводит к образованию чрезвычайно протяженных апо-мономеров.Результаты, полученные с помощью IMS-MS в этом исследовании, чрезвычайно важны, поскольку нарушения, наблюдаемые от SOD1 в болезненных состояниях, не могут быть легко измерены с помощью ЯМР или рентгеновской кристаллографии, если они присутствуют в низких концентрациях или искажены потенциальным присутствием нескольких конформеров. Таким образом, IMS-MS может иметь особую полезность для исследования образцов от пациентов с определенными болезненными состояниями, включая БАС. Кроме того, сочетание возможности прямого зондирования SOD в естественных условиях непосредственно из ткани (Roberts et al., 2007; Rhoads et al., 2011) позволяет измерять структурные свойства фермента без длительного процесса очистки, который может изменить состояние фермента. В сочетании с разворачиванием, индуцированным столкновениями, это открывает возможность прямого исследования стабильности и структурных свойств SOD1 на моделях тканей человеческого семейного БАС и мышей. Кроме того, IMS-MS может исследовать биофизические свойства очищенных белков или рекомбинантных систем и быстро сравнивать мутации, связывание лекарств или другие параметры, которые, как считается, нарушают структуру белка, и свободно связывать это с данными ЯМР и кристаллографическими данными и, таким образом, обеспечивать дополнительные информация для этих более традиционных экспериментов, основанных на решениях.Поскольку в настоящее время известно более 150 мутаций человеческого SOD1, и считается, что потеря металлов из голодимерного белка приводит к образованию апо-белка и способствует образованию бляшек, наблюдаемых при БАС, возможность оценить разворачивание характеристики с IMS-MS могут облегчить понимание того, как они изменяют динамику белка.
Заявление о доступности данных
Необработанные данные доступны через MassIVE (https://massive.ucsd.edu/MSV000086204).
Вклад авторов
КБ провел измерения DTIMS-MS, проанализировал данные и написал значительные части рукописи.YT и AR провели эксперименты TIMS-MS, проанализировали полученные данные и внесли свой вклад в подготовку рукописи. EB обеспечил интерпретацию данных для данных DTIMS-MS и внес значительный вклад в подготовку рукописи. BR предложил эксперимент, интерпретировал данные TIMS-MS, провел вычислительные эксперименты CCS и внес значительный вклад в подготовку рукописи.
Финансирование
Части этого исследования были поддержаны грантами Национального института гигиены окружающей среды NIH (P30ES025128, P42ES027704 и P42ES031009), Национального совета здравоохранения и медицинских исследований (APP1138673) и фондами стартапов Государственного университета Северной Каролины и Эмори. Школа медицины.
Конфликт интересов
YT и AR являются сотрудниками Bruker. EB и BR получают исследовательскую поддержку от Agilent technologies.
Оставшийся автор заявляет, что исследование проводилось при отсутствии каких-либо коммерческих или финансовых отношений, которые могли бы быть истолкованы как потенциальный конфликт интересов.
Благодарности
Все измерения DTIMS-MS были выполнены в Центре молекулярного образования, технологий и исследований (METRIC) при Университете штата Северная Каролина.
Дополнительные материалы
Дополнительные материалы к этой статье можно найти в Интернете по адресу: https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fchem.2021.614595/full#supplementary-material.
Ссылки
Абель, О., Пауэлл, Дж. Ф., Андерсен, П. М., и Аль-Чалаби, А. (2012). ALSoD: удобный онлайн-инструмент биоинформатики для генетики бокового амиотрофического склероза. Hum. Мутат. 33 (9), 1345–1351. doi: 10.1002 / humu.22157
PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar
Абернети, Дж.Л., Стейнман, Х. М., и Хилл, Р. Л. (1974). Супероксиддисмутаза эритроцитов крупного рогатого скота. Субъединичная структура и расположение последовательности дисульфидной связи внутри субъединицы. J. Biol. Chem. 249 (22), 7339–7347. DOI: 10.1016 / s0021-9258 (19) 42109-1
PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar
Адамс, К. Дж., Смит, Н. Ф., Рамирес, К. Э. и Фернандес-Лима, Ф. (2018). Открытие и целевой мониторинг полихлорированных бифенильных метаболитов в плазме крови с использованием LC-TIMS-TOF MS. Внутр. J. Mass Spectrom. 427, 133–140. doi: 10.1016 / j.ijms.2017.11.009
PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar
Арнезано, Ф., Банси, Л., Бертини, И., Мартинелли, М., Фурукава, Ю., и О’Халлоран, Т. В. (2004). Необычно стабильная четвертичная структура Cu, Zn-супероксиддисмутазы 1 человека контролируется как занятостью металлов, так и дисульфидным статусом. J. Biol. Chem. 279 (46), 47998–48003. doi: 10.1074 / jbc.M406021200
PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar
Assfalg, M., Banci, L., Bertini, I., Turano, P., and Vasos, P.R. (2003). Путь сворачивания / разворачивания супероксиддисмутазы: роль ионов металлов в модулировании структурных и динамических характеристик. J. Mol. Биол. 330 (1), 145–158. DOI: 10.1016 / s0022-2836 (03) 00533-3
PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar
Banci, L., Bertini, I., Cramaro, F., Del Conte, R., and Viezzoli, M. S. (2003). Структура раствора Apo Cu, Zn супероксиддисмутазы: роль ионов металлов в сворачивании белков. Биохимия 42 (32), 9543–9553. doi: 10.1021 / bi034324m
PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar
Banci, L., Bertini, I., Cramaro, F., Del Conte, R., and Viezzoli, M. S. (2002). Структура раствора восстановленной димерной супероксиддисмутазы меди и цинка. Структурные эффекты димеризации. Eur. J. Biochem. 269 (7), 1905–1915. doi: 10.1046 / j.1432-1033.2002.02840.x
PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar
Benigni, P., Марин Р., Молано-Аревало, Дж. К., Гарабедян, А., Вольф, Дж. Дж., Риджуэй, М. Е. и др. (2016). К анализу высокомолекулярных белков и белковых комплексов с использованием TIMS-MS. Внутр. J. Ion Mobil. Спектром. 19 (2), 95–104. doi: 10.1007 / s12127-016-0201-8
PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar
Берман, Х. М., Уэстбрук, Дж., Фенг, З., Гиллиланд, Г., Бхат, Т. Н., Вайссиг, Х. и др. (2000). Банк данных по белкам. Nucleic Acids Res. 28 (1), 235–242. DOI: 10.1093 / nar / 28.1.235
PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar
Борер, Б. К., Меренблум, С. И., Кенигер, С. Л., Хильдербранд, А. Е. и Клеммер, Д. Е. (2008). Анализ биомолекул методом спектрометрии ионной подвижности. Annu. Rev. Anal. Chem. 1, 293–327. doi: 10.1146 / annurev.anchem.1.031207.113001
PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar
Borges-Alvarez, M., Benavente, F., Vilaseca, M., Barbosa, J., и Санс-Небот, В. (2013). Характеристика супероксиддисмутазы 1 (SOD-1) с помощью масс-спектрометрии с ионизацией электрораспылением и подвижностью ионов. J. Mass Spectrom. 48 (1), 60–67. doi: 10.1002 / jms.3128
PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar
Чой, Дж., Рис, Х. Д., Вайнтрауб, С. Т., Леви, А. И., Чин, Л. С., и Ли, Л. (2005). Окислительные модификации и агрегация Cu, Zn-супероксиддисмутазы, связанные с болезнями Альцгеймера и Паркинсона. Дж.Биол. Chem. 280 (12), 11648–11655. doi: 10.1074 / jbc.M414327200
PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar
Клеммер Д. Э., Хаджинс Р. Р. и Джарролд М. Ф. (1995). Конформации «голого» белка: цитохром с в газовой фазе. J. Am. Chem. Soc. 117 (40), 10141–10142. doi: 10.1021 / ja00145a037
CrossRef Полный текст | Google Scholar
Динг, Ф., и Дохолян, Н. В. (2008). Динамические роли ионов металлов и дисульфидной связи в сворачивании и агрегации супероксиддисмутазы Cu, Zn. Proc. Natl. Акад. Sci. США 105 (50), 19696. doi: 10.1073 / pnas.0803266105
PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar
Добо А. и Калташов И. А. (2001). Обнаружение множественных белковых конформационных ансамблей в растворе посредством деконволюции распределений зарядовых состояний в ESI MS. Анал. Chem. 73, 4763–4773. doi: 10.1021 / ac010713f
PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar
Doucette, P. A., Whitson, L.J., Cao, X., Schirf, V., Demeler, B., Valentine, J. S., et al. (2004). Диссоциация димеров супероксиддисмутазы меди-цинка человека с использованием хаотропа и восстановителя. Понимание молекулярных основ стабильности димеров. J. Biol. Chem. 279 (52), 54558–54566. doi: 10.1074 / jbc.M409744200
PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar
Forman, H. J., и Fridovich, I. (1973). О стабильности супероксиддисмутазы крупного рогатого скота. Воздействие металлов. Дж.Биол. Chem. 248 (8), 2645–2649. DOI: 10.1016 / s0021-9258 (19) 44055-6
PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar
Goto, Y., Hagihara, Y., Hamada, D., Hoshino, M., and Nishii, I. (1993). Кислотно-индуцированные переходы разворачивания и рефолдинга цитохрома с: трехступенчатый механизм в воде и оксиде дейтерия. Биохимия 32 (44), 11878–11885. doi: 10.1021 / bi00095a017
PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar
Грин, Р.Ф. и Пейс К. Н. (1974). Денатурация рибонуклеазы, лизоцима, альфа-химотрипсина и бета-лактоглобулина мочевиной и гидрохлоридом гуанидина. J. Biol. Chem. 249 (17), 5388–5393. doi: 10.1016 / s0021-9258 (20) 79739-5
PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar
Hayward, L. J., Rodriguez, J. A., Kim, J. W., Tiwari, A., Goto, J. J., Cabelli, D. E., et al. (2002). Снижение металлизации и активности в подмножествах мутантных супероксиддисмутаз, связанных с семейным боковым амиотрофическим склерозом. J. Biol. Chem. 277 (18), 15923–15931. doi: 10.1074 / jbc.M112087200
PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar
Hough, M. A., Strange, R. W., and Hasnain, S. S. (2000). Конформационная изменчивость сайта Cu в одной субъединице супероксиддисмутазы CuZn крупного рогатого скота: важность подвижности в области петли Glu119-Leu142 для каталитической функции. J. Mol. Биол. 304 (2), 231–241. doi: 10.1006 / jmbi.2000.4186
PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar
Jurneczko, E.и Барран П. Э. (2011). Насколько полезна масс-спектрометрия ионной подвижности для структурной биологии? Связь между кристаллическими структурами белков и их сечениями столкновения в газовой фазе. Аналитик 136 (1), 20–28. doi: 10.1039 / C0AN00373E
PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar
Калташов, И. А., Мохимен, А. (2005). Оценка площади поверхности белка в растворе с помощью масс-спектрометрии с ионизацией электрораспылением. Анал. Chem. 77 (16), 5370–5379.doi: 10.1021 / ac050511 +
PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar
Каятекин, К., Зитцевиц, Дж. А., и Мэтьюз, К. Р. (2008). Связывание цинка модулирует всю поверхность свободной энергии сворачивания супероксиддисмутазы Cu, Zn человека. J. Mol. Биол. 384 (2), 540–555. doi: 10.1016 / j.jmb.2008.09.045
PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar
Конерманн, Л., Коллингс, Б. А., и Дуглас, Д. Дж. (1997). Кинетику сворачивания цитохрома с изучали с помощью масс-спектрометрии с ионизацией электрораспылением с временным разрешением. Биохимия 36 (18), 5554–5559. doi: 10.1021 / bi970046d
PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar
Konijnenberg, A., Butterer, A., and Sobott, F. (2013). Масс-спектрометрия подвижности собственных ионов и родственные методы в структурной биологии. Biochim. Биофиз. Acta 1834, 1239–1256. doi: 10.1016 / j.bbapap.2012.11.013
PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar
Lanucara, F., Holman, S. W., Gray, C.J. и Eyers, C.Э. (2014). Возможности масс-спектрометрии ионной подвижности для структурной характеристики и изучения конформационной динамики. Nat. Chem. 6 (4), 281–294. doi: 10.1038 / nchem.1889
PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar
Leney, A.C., и Heck, A.J. (2017). Нативная масс-спектрометрия: что в названии? J. Am. Soc. Масс-спектрометрия. 28 (1), 5–13. doi: 10.1007 / s13361-016-1545-3
CrossRef Полный текст | Google Scholar
Ли, Х., Шенг, Ю., Макги, В., Каммарата, М., Холден, Д., и Лоо, Дж. А. (2017). Структурная характеристика нативных белков и белковых комплексов методом электронно-ионизационной диссоциации-масс-спектрометрии. Анал. Chem. 89 (5), 2731–2738. doi: 10.1021 / acs.analchem.6b02377
PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar
Линдберг, М. Дж., Тибелл, Л., и Оливеберг, М. (2002). Общий знаменатель мутантов Cu / Zn-супероксиддисмутазы, ассоциированных с боковым амиотрофическим склерозом: снижение стабильности апо-состояния. Proc. Natl. Акад. Sci. США 99 (26), 16607–16612. DOI: 10.1073 / pnas.262527099
PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar
Линч, С. М., Босуэлл, С. А., и Колон, В. (2004). Кинетическая стабильность супероксиддисмутазы Cu / Zn зависит от ее металлических лигандов: последствия для БАС. Биохимия 43 (51), 16525–16531. doi: 10.1021 / bi048831v
PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar
Марклунд, Э. Г., Деджакоми, М.Т., Робинсон, К. В., Болдуин, А. Дж., И Бенеш, Дж. Л. (2015). Сечения столкновения для структурной протеомики. Структура 23 (4), 791–799. doi: 10.1016 / j.str.2015.02.010
PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar
Мейсон, Э. А., и Шамп, Х. У. (1958). Подвижность газообразных ионов в слабых электрических полях. Ann. Phys. 4 (3), 233–270. doi: 10.1016 / 0003-4916 (58)
-6CrossRef Полный текст | Google Scholar
Мэй, Дж.К., Юрнецко, Э., Стоу, С. М., Краточвил, И., Калхоф, С., и Маклин, Дж. А. (2018). Конформационные ландшафты убиквитина, цитохрома с и миоглобина: измерения подвижности ионов в однородном поле в дрейфующем газе гелия и азота. Внутр. J. Mass Spectrom. 427, 79–90. doi: 10.1016 / j.ijms.2017.09.014
PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar
McAlary, L., Harrison, J. A., Aquilina, J. A., Fitzgerald, S. P., Kelso, C., Benesch, J. L. P., et al. (2020).Траектория, принимаемая димерной Cu / Zn-супероксиддисмутазой через ландшафт развертывания и диссоциации белка, модулируется образованием солевого мостика. Анал. Chem. 92 (2), 1702–1711. doi: 10.1021 / acs.analchem.9b01699
PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar
МакКорд, Дж. М., и Фридович, И. (1969). Супероксиддисмутаза. Ферментативная функция эритрокупреина (гемокупреина). J. Biol. Chem. 244 (22), 6049–6055. DOI: 10.1016 / s0021-9258 (18) 63504-5
PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar
Мэй, Г., Rosato, N., Silva, N., Rusch, R., Gratton, E., Savini, I., et al. (1992). Денатурация супероксиддисмутазы Cu / Zn человека гуанидин гидрохлоридом: исследование динамической флуоресценции. Биохимия 31 (32), 7224–7230. doi: 10.1021 / bi00147a003
PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar
Недд С., Редлер Р. Л., Проктор Э. А., Дохолян Н. В. и Александрова А. Н. (2014). Cu, Zn-супероксиддисмутаза без Zn свернута, но каталитически неактивна. Дж.Мол. Биол. 426 (24), 4112–4124. doi: 10.1016 / j.jmb.2014.07.016
PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar
Nordlund, A., and Oliveberg, M. (2008). БАС, ассоциированный с SOD1: многообещающая система для выяснения происхождения болезни неправильного сворачивания белков. HFSP J. 2 (6), 354–364. doi: 10.2976 / 1.2995726
PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar
Партридж Дж., Мур Б. Д. и Холлинг П. Дж. (1999). Стабильность α-химотрипсина в смесях водно-ацетонитрила: термодинамически или кинетически устойчив нативный фермент в условиях низкого содержания воды? Дж.Мол. Катал. B Enzym. 6 (1), 11–20. doi: 10.1016 / s1381-1177 (98) 00105-2
CrossRef Полный текст | Google Scholar
Rakhit, R., Crow, J. P., Lepock, J. R., Kondejewski, L.H., Cashman, N.R., and Chakrabartty, A. (2004). Мономерная Cu, Zn-супероксиддисмутаза является обычным промежуточным продуктом неправильной укладки в моделях окисления спорадического и семейного бокового амиотрофического склероза. J. Biol. Chem. 279 (15), 15499–15504. doi: 10.1074 / jbc.M313295200
PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar
Ray, S.С., Новак, Р. Дж., Строкович, К., Браун, Р. Х., Уолц, Т., и Лэнсбери, П. Т. (2004). Межсубъединичная дисульфидная связь предотвращает агрегацию in vitro мутанта супероксиддисмутазы-1, связанного с семейным боковым амитрофическим склерозом. Биохимия 43 (17), 4899–4905. doi: 10.1021 / bi030246r
PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar
Revercomb, H. E., and Mason, E. A. (1975). Теория плазменной хроматографии / газового электрофореза. Рассмотрение. Анал. Chem. 47 (7), 970–983. doi: 10.1021 / ac60357a043
CrossRef Полный текст | Google Scholar
Rhoads, T. W., Lopez, N. I., Zollinger, D. R., Morré, J. T., Arbogast, B. L., Maier, C. S., et al. (2011). Измерение супероксиддисмутазы меди и цинка из ткани спинного мозга с помощью масс-спектрометрии с электрораспылением. Анал. Biochem. 415 (1), 52–58. doi: 10.1016 / j.ab.2011.03.029
PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar
Rhoads, T.У., Уильямс, Дж. Р., Лопес, Н. И., Морре, Дж. Т., Брэдфорд, К. С., и Бекман, Дж. С. (2013). Использование теоретических распределений изотопов белков для анализа посттрансляционных модификаций с малой разностью масс с помощью масс-спектрометрии. J. Am. Soc. Масс-спектрометрия. 24 (1), 115–124. doi: 10.1007 / s13361-012-0500-1
PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar
Ричардсон, Дж., Томас, К. А., Рубин, Б. Х. и Ричардсон, Д. К. (1975). Кристаллическая структура бычьей Cu, Zn супероксиддисмутазы с разрешением 3 A: отслеживание цепи и металлические лиганды. Proc. Natl. Акад. Sci. США 72 (4), 1349. doi: 10.1073 / pnas.72.4.1349
PubMed Abstract | CrossRef Полный текст | Google Scholar
Риджуэй, М. Э., Любек, М., Джорденс, Дж., Манн, М., и Парк, М. А. (2018). Спектрометрия подвижности захваченных ионов: краткий обзор. Внутр. J. Mass Spectrom. 425, 22–35. doi: 10.1016 / j.ijms.2018.01.006
CrossRef Полный текст | Google Scholar
Робертс, Б. Р., Тайнер, Дж. А., Гетцофф, Э. Д., Маленчик, Д. А., Андерсон, С.R., Bomben, V.C. и др. (2007). Структурная характеристика цинк-дефицитной супероксиддисмутазы человека и последствия для БАС. J. Mol. Биол. 373 (4), 877–890. doi: 10.1016 / j.jmb.2007.07.043
PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar
Rolland, A. D. и Prell, J. S. (2019). Вычислительное понимание уплотнения газофазного белка и комплексных ионов белка в масс-спектрометрии подвижности нативных ионов. Trac. Тенденции Анал. Chem. 116, 282–291.doi: 10.1016 / j.trac.2019.04.023
CrossRef Полный текст | Google Scholar
Sahawneh, M. A., Ricart, K. C., Roberts, B. R., Bomben, V. C., Basso, M., Ye, Y., et al. (2010). Cu, Zn-супероксиддисмутаза увеличивает токсичность мутантной и цинкодефицитной супероксиддисмутазы за счет повышения стабильности белка. J. Biol. Chem. 285 (44), 33885–33897. doi: 10.1074 / jbc.M110.118901
PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar
Шелимов, К. Б., Клеммер, Д.Э., Хаджинс Р. Р. и Джарролд М. Ф. (1997). Структура белка в вакууме: газофазные конформации BPTI и цитохромека. J. Am. Chem. Soc. 119 (9), 2240–2248. doi: 10.1021 / ja9619059
CrossRef Полный текст | Google Scholar
Смит Д. П., Джайлс К., Бейтман Р. Х., Рэдфорд С. Э. и Эшкрофт А. Э. (2007). Мониторинг копопулированных конформационных состояний во время событий сворачивания белков с использованием спектрометрии ионной подвижности с электрораспылением и масс-спектрометрии. Дж.Являюсь. Soc. Масс-спектрометрия. 18 (12), 2180–2190. doi: 10.1016 / j.jasms.2007.09.017
PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar
Статопулос, П. Б., Рамфельдт, Дж. А., Шольц, Г. А., Ирани, Р. А., Фрей, Х. Э., Холлуэлл, Р. А. и др. (2003). Мутанты Cu / Zn супероксиддисмутазы, ассоциированные с боковым амиотрофическим склерозом, демонстрируют усиленное образование агрегатов in vitro . Proc. Natl. Акад. Sci. США 100 (12), 7021. doi: 10.1073 / pnas.1237797100
PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar
Стоу, С.M., Causon, T.J., Zheng, X., Kurulugama, R.T., Mairinger, T., May, J.C., et al. (2017). Межлабораторная оценка измерений сечения столкновений методом масс-спектрометрии подвижности ионов в дрейфовой трубке. Анал. Chem. 89 (17), 9048–9055. doi: 10.1021 / acs.analchem.7b01729
PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar
Тайнер, Дж. А., Гетцофф, Э. Д., Ричардсон, Дж. С. и Ричардсон, Д. К. (1983). Строение и механизм действия медь, супероксиддисмутазы цинка. Природа 306, 284–287. doi: 10.1038 / 306284a0
PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar
Testa, L., Brocca, S., and Grandori, R. (2011). Заряд-поверхность корреляции при ионизации электрораспылением свернутых и развернутых белков. Анал. Chem. 83 (17), 6459–6463. doi: 10.1021 / ac201740z
PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar
Tokuda, E., Takei, Y. I., Ohara, S., Fujiwara, N., Hozumi, I., and Furukawa, Y. (2019).Cu / Zn-супероксиддисмутаза дикого типа неправильно свернута в спинномозговой жидкости при спорадическом боковом амиотрофическом склерозе. Mol. Neurodegener. 14 (1), 42. doi: 10.1186 / s13024-019-0341-5
PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar
Трист, Б.Г., Дэвис, К.М., Коттам, В., Генуд, С., Ортега, Р., Рудо, С. и др. (2017). Протеинопатия супероксиддисмутазы 1, подобная амиотрофическому боковому склерозу, связана с потерей нейронов в мозге при болезни Паркинсона. Acta Neuropathol. 134 (1), 113–127. doi: 10.1007 / s00401-017-1726-6
PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar
Wei, J., Wu, J., Tang, Y., Ridgeway, M. E., Park, M. A., Costello, C. E., et al. (2019). Характеристика и количественное определение высокосульфатированных изомеров гликозаминогликанов с помощью спектрометрии подвижности стробированных и захваченных ионов с диссоциацией с отрицательным переносом электронов МС / МС. Анал. Chem. 91 (4), 2994–3001. doi: 10.1021 / acs.analchem.8b05283
PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar
Wyttenbach, T., и Бауэрс, М. Т. (2011). Структурная стабильность от раствора до газовой фазы: нативная структура раствора убиквитина выдерживает анализ в среде масс-спектрометрии подвижности ионов без растворителя. J. Phys. Chem. В 115 (42), 12266–12275. doi: 10.1021 / jp206867a
PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar
Wyttenbach, T., Pierson, N.A., Clemmer, D. E., and Bowers, M. T. (2014). Анализ подвижности ионов в молекулярной динамике. Annu. Rev. Phys. Chem. 65 (1), 175–196. doi: 10.1146 / annurev-Physchem-040513-103644
PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar
Zhuang, X., Liu, S., Zhang, R., Song, F., Liu, Z., and Liu, S. (2014). Идентификация путей разворачивания и диссоциации супероксиддисмутазы в газовой фазе методом разделения ионной подвижности и тандемной масс-спектрометрии. Анал. Chem. 86 (23), 11599–11605. doi: 10.1021 / ac502253t
PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar
Электрохимия | Химия для неосновных
- Опишите использование серии операций таблицы металлов.
- Предскажите спонтанность реакции на основе таблицы рядов активности.
Сколько стоит это ожерелье?
Золото и серебро – широко используемые металлы для изготовления украшений. Одна из причин, по которой эти металлы используются для этой цели, заключается в том, что они очень инертны. Они не вступают в реакцию с большинством других металлов, поэтому с большей вероятностью останутся нетронутыми в сложных условиях. Кто хочет, чтобы их любимое украшение развалилось на них?
Прямые окислительно-восстановительные реакции
Когда полоска металлического цинка помещается в синий раствор сульфата меди (II) (, рис. ниже), сразу же начинается реакция, когда полоска цинка начинает темнеть.Если оставить в растворе более длительный период времени, цинк будет постепенно разлагаться из-за окисления до ионов цинка. В то же время ионы меди (II) из раствора восстанавливаются до металлической меди (см. Рис. ниже), в результате чего синий раствор сульфата меди (II) становится бесцветным.
Рисунок 23.1
Раствор медного купороса.
Рисунок 23.2
Реакция металлического цинка в растворе сульфата меди.
Процесс, который происходит в этой окислительно-восстановительной реакции, показан ниже как две отдельные полуреакции, которые затем могут быть объединены в полную окислительно-восстановительную реакцию.
Почему эта реакция происходит самопроизвольно? Серии действий – это список элементов в порядке убывания их реактивности. Элемент, который находится выше в ряду активности, способен вытеснить элемент, который находится ниже в ряду в реакции одиночного замещения. В этой серии также перечислены элементы в порядке легкости окисления.Верхние элементы окисляются легче всего, а нижние – труднее всего. В приведенной ниже таблице показаны ряды активности вместе с полуреакцией окисления каждого элемента.
Серия активности металлов (в порядке реакционной способности) | ||
---|---|---|
Элемент | Половина реакции окисления | |
Литий | Li ( с ) → Li + ( водн. ) + e – | Наиболее активен или наиболее легко окисляется |
Калий | K ( с ) → K + ( вод. ) + e – | |
Барий | Ba ( с ) → Ba 2+ ( водн. ) + 2e – | |
Кальций | Ca ( с ) → Ca 2+ ( водн. ) + 2e – | |
Натрий | Na ( с ) → Na + ( водн. ) + e – | |
Магний | Mg ( s ) → Mg 2+ ( водн. ) + 2e – | |
Алюминий | Al ( s ) → Al 3+ ( водн. ) + 3e – | |
цинк | Zn ( с ) → Zn 2+ ( водн. ) + 2e – | |
Утюг | Fe ( с ) → Fe 2+ ( водн. ) + 2e – | |
Никель | Ni ( s ) → Ni 2+ ( водн. ) + 2e – | |
Олово | Sn ( s ) → Sn 2+ ( вод. ) + 2e – | |
Свинец | Pb ( с ) → Pb 2+ ( водн. ) + 2e – | |
Водород | H 2 ( г ) → 2H + ( водн. ) + 2e – | |
Медь | Cu ( с ) → Cu 2+ ( водн. ) + 2e – | |
Меркурий | Hg ( л ) → Hg 2+ ( водн. ) + 2e – | |
Серебро | Ag ( с ) → Ag + ( водн. ) + e – | |
Платина | Pt ( s ) → Pt 2+ ( водн. ) + 2e – | |
Золото | Au ( s ) → Au 3+ ( водн. ) + 3e – | Наименее активен или труднее всего окисляется |
Обратите внимание, что цинк указан над медью в серии активности, что означает, что цинк окисляется легче, чем медь.Вот почему ионы меди (II) могут действовать как окислитель при контакте с металлическим цинком. Ионы любого металла ниже цинка, такого как свинец или серебро, окислили бы цинк в аналогичной реакции. Эти типы реакций называются прямыми окислительно-восстановительными реакциями , потому что электроны текут непосредственно от атомов одного металла к катионам другого металла. Однако никакой реакции не произойдет, если полоску металлической меди поместить в раствор ионов цинка, потому что ионы цинка не способны окислять медь.Другими словами, такая реакция не спонтанна.
Сводка
- Приведен ряд активностей металлов.
- Описаны параметры самопроизвольных реакций между металлами.
Практика
Вопросы
Посмотрите видео по ссылке ниже и ответьте на следующие вопросы:
Нажмите на изображение выше, чтобы увидеть больше
- Что произошло, когда Mg и Zn были помещены в раствор Pb 2+ ?
- Прореагировала ли полоска Zn в растворе Mg 2+ ?
- Как было показано, что Ag наименее реактивен?
Обзор
Вопросы
- Какие металлы имеют высокие показатели активности?
- Какие металлы являются низкими в серии активности?
- Окисляется ли олово легче, чем магний?
- прямая окислительно-восстановительная реакция: Электроны текут непосредственно от атомов металла к катионам другого металла.
- Определить электрохимию.
- Опишите электрохимическую реакцию.
- Перечислите компоненты электрохимической реакции.
Что случилось с той скульптурой?
Металл, подвергающийся воздействию внешних элементов, обычно подвержен коррозии, если не защищен. Процесс коррозии – это серия окислительно-восстановительных реакций с участием металла скульптуры. В некоторых случаях металлы намеренно оставляют незащищенными, чтобы поверхность претерпела изменения, которые могут повысить эстетическую ценность работы.
Электрохимические реакции
Химические реакции либо поглощают, либо выделяют энергию, которая может иметь форму электричества. Электрохимия – это раздел химии, который занимается взаимным преобразованием химической энергии и электрической энергии. Электрохимия широко применяется в повседневной жизни. Все виды батарей, от батарейки для фонарика и калькулятора до автомобиля, используют химические реакции для выработки электричества. Электричество используется для покрытия предметов декоративными металлами, такими как золото или хром.Электрохимия играет важную роль в передаче нервных импульсов в биологических системах. За всеми электрохимическими процессами стоит окислительно-восстановительная химия, перенос электронов.
Реакция металлического цинка с ионами меди (II) называется прямым окислительно-восстановительным процессом или реакцией. Электроны, которые переносятся в реакции, переходят непосредственно от атомов Zn на поверхности полоски к ионам Cu 2+ в области раствора непосредственно рядом с цинковой полоской. С другой стороны, электричество требует прохождения электронов через проводящую среду, такую как провод, для выполнения работы.Этой работой можно было бы зажечь лампочку, включить холодильник или обогреть дом. Когда окислительно-восстановительная реакция прямая, эти электроны не могут работать. Вместо этого мы должны отделить процесс окисления от процесса восстановления и заставить электроны перемещаться из одного места в другое между ними. Это ключ к структуре электрохимической ячейки. Электрохимический элемент – это любое устройство, которое преобразует химическую энергию в электрическую или электрическую энергию в химическую энергию.
Электрохимическая реакция состоит из трех компонентов. Должен быть раствор, в котором могут возникнуть окислительно-восстановительные реакции. Эти реакции обычно происходят в воде, чтобы облегчить движение электронов и ионов. Для передачи электронов должен существовать проводник. Этот проводник обычно представляет собой какой-то провод, так что электроны могут перемещаться с одного места на другое. Ионы также должны иметь возможность перемещаться через солевой мостик, который облегчает миграцию ионов.
Сводка
- Электрохимия определена.
- Дано описание электрохимической ячейки.
- Перечислены компоненты электрохимической реакции.
Практика
Вопросы
Прочтите материал по ссылке ниже и ответьте на следующие вопросы:
http://bouman.chem.georgetown.edu/S02/lect25/lect25.htm
- В какой системе происходят спонтанные реакции?
- В каком типе системы происходят непредвиденные реакции?
- Что есть потенциал?
- Как измеряется потенциал?
Обзор
Вопросы
- Что такое электрохимическая реакция?
- Какой тип химической реакции происходит?
- Что должно двигаться в электрохимической реакции?
- электрохимическая ячейка: Любое устройство, преобразующее химическую энергию в электрическую или электрическую энергию в химическую энергию.
- электрохимия: Раздел химии, посвященный взаимному преобразованию химической энергии и электрической энергии.
- Опишите устройство и функцию гальванического элемента.
Что заставило дергаться?
Луиджи Гальвани (1737-1798) был итальянским врачом и ученым, который проводил исследования нервной проводимости у животных. Его случайное наблюдение подергивания лягушачьих лапок при контакте с железным скальпелем, когда ноги висели на медных крючках, привело к исследованиям электропроводности в мышцах и нервах.Он считал, что ткани животных содержат «животное электричество», подобное естественному электричеству, которое вызывает образование молнии.
Гальванические элементы
Гальванический элемент – это электрохимический элемент, в котором для выработки электроэнергии используется спонтанная окислительно-восстановительная реакция.
Рисунок 23.3
Гальванический элемент.
Гальванический элемент (см. Рисунок выше) состоит из двух отдельных отсеков. Полуэлемент представляет собой часть гальванического элемента, в котором происходит полуреакция окисления или восстановления.Левая полуячейка представляет собой полоску металлического цинка в растворе сульфата цинка. Правая полуячейка представляет собой полоску металлической меди в растворе сульфата меди (II). Полоски металла называются электродами. Электрод – это проводник в цепи, который используется для переноса электронов к неметаллической части цепи. Неметаллическая часть схемы – это растворы электролита, в которых размещены электроды. Металлический провод соединяет два электрода. Переключатель размыкает или замыкает цепь.Между двумя полуячейками помещена пористая мембрана, замыкающая цепь.
Различные электрохимические процессы, происходящие в гальваническом элементе, происходят одновременно. Проще всего описать их в следующих шагах, используя в качестве примера вышеуказанный цинк-медный элемент.
1. Атомы цинка из цинкового электрода окисляются до ионов цинка. Это происходит потому, что содержание цинка в ряду активности выше, чем меди, и поэтому он легче окисляется.
Электрод, на котором происходит окисление, называется анодом .Цинковый анод постепенно уменьшается по мере работы элемента из-за потери металлического цинка. Концентрация ионов цинка в полуячейке увеличивается. Из-за образования электронов на аноде он обозначается как отрицательный электрод.
2. Электроны, которые генерируются на цинковом аноде, проходят через внешний провод и регистрируют показания вольтметра. Они продолжаются до медного электрода.
3. Электроны входят в медный электрод, где они соединяются с ионами меди (II) в растворе, превращая их в металлическую медь.
Электрод, на котором происходит восстановление, называется катодом . Катод постепенно увеличивается в массе из-за образования металлической меди. Концентрация ионов меди (II) в полуячейке уменьшается. Катод – положительный электрод.
4. Ионы проходят через мембрану, сохраняя электрическую нейтральность в клетке. В ячейке, показанной выше, сульфат-ионы будут перемещаться со стороны меди на сторону цинка, чтобы компенсировать уменьшение Cu 2+ и увеличение Zn 2+ .
Две половинные реакции можно снова суммировать, чтобы получить общую окислительно-восстановительную реакцию, происходящую в гальваническом элементе.
Сводка
- Описана конструкция гальванического элемента.
- Приведены реакции с образованием электронного потока.
Практика
Вопросы
Прочтите материал по ссылке ниже и ответьте на следующие вопросы:
http://chemed.chem.wisc.edu/chempaths/GenChem-Textbook/Galvanic-Cells/chemprime/CoreChem3AElectrochemical_Cells-699.html
- В чем разница между электролитической ячейкой и гальванической ячейкой?
- Где происходит реакция окисления в гальваническом элементе?
- Где протекает реакция восстановления?
- Перечислите несколько примеров гальванических элементов, имеющих коммерческое значение.
Обзор
Вопросы
- Что делает гальванический элемент?
- Почему два электрода физически разделены?
- Для чего нужна пористая мембрана?
- анод: Электрод, на котором происходит окисление.
- катод: Электрод, на котором происходит восстановление.
- электрод: Проводник в цепи, который используется для переноса электронов к неметаллической части цепи.
- полуэлемент: Часть гальванического элемента, в которой происходит полуреакция окисления или восстановления.
- гальванический элемент: Электрохимический элемент, который использует спонтанную окислительно-восстановительную реакцию для производства электроэнергии.
- Определите электрический потенциал.
- Определите потенциал уменьшения.
- Определите потенциал ячейки.
Сколько это вольт?
Вольтметр не измеряет напряжение напрямую; он измеряет электрический ток. Но не волнуйтесь – ток и напряжение могут быть напрямую связаны друг с другом. Первые измерители назывались гальванометрами, и они использовали основные законы электричества для определения напряжения. Они были тяжелыми и трудными в работе, но свою работу выполняли.Первые мультиметры были разработаны в 1920-х годах, но настоящая портативность должна была подождать, пока печатные схемы и транзисторы не заменили громоздкие провода и электронные лампы.
Электрический потенциал
Электрический потенциал – это мера способности гальванического элемента производить электрический ток. Электрический потенциал обычно измеряется в вольтах (В). Напряжение, создаваемое данным гальваническим элементом, представляет собой разность электрических потенциалов между двумя полуэлементами.Невозможно измерить электрический потенциал изолированной полуячейки. Например, если был сконструирован только цинковый полуэлемент, полная окислительно-восстановительная реакция не могла бы произойти, и поэтому невозможно было бы измерить электрический потенциал. Только когда другая полуэлемент объединяется с цинковым полуэлементом, можно измерить электрическую разность потенциалов или напряжение.
Электрический потенциал клетки возникает в результате конкуренции за электроны. В цинково-медном гальваническом элементе именно ионы меди (II) восстанавливаются до металлической меди.Это потому, что ионы Cu 2+ имеют большее притяжение для электронов, чем ионы Zn 2+ в другой полуячейке. Вместо этого окисляется металлический цинк. Потенциал восстановления является мерой тенденции данной полуреакции протекать как восстановление в электрохимической ячейке. В данном гальваническом элементе полуэлемент, который имеет больший восстановительный потенциал, – это тот, в котором происходит восстановление. В полуячейке с более низким потенциалом восстановления произойдет окисление.Потенциал ячейки (ячейка E ) – это разность потенциалов восстановления между двумя полуячейками в электрохимической ячейке.
Сводка
- Даны определения типа электрического потенциала.
Практика
Вопросы
Прочтите материал по ссылке ниже и ответьте на следующие вопросы:
http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/chemistry/laureates/1920/nernst-bio.html
- Где родился Нернст?
- Какую теорию он разработал в 1889 году?
- Какой музыкальный инструмент он разработал, что не понравилось музыкантам?
Обзор
Вопросы
- Почему мы не можем измерить электрический потенциал изолированной полуячейки?
- О чем говорит нам потенциал сокращения?
- Каков потенциал клетки?
- потенциал ячейки (E ячейка ): Разница в потенциале восстановления между двумя полуячейками в электрохимической ячейке.
- электрический потенциал: Измерение способности гальванического элемента производить электрический ток.
- потенциал восстановления: Мера тенденции данной полуреакции протекать как восстановление в электрохимической ячейке.
- Опишите водородный электрод.
- Опишите, как этот электрод используется для определения восстановительных потенциалов.
Что такое стандарт?
Все мы с кем-то сравниваем себя.Могу я бежать быстрее тебя? Я выше своего отца? Это относительные сравнения, которые не дают много полезных данных. Когда мы используем стандарт для наших сравнений, каждый может сказать, как одно сравнивается с другим. Один метр – это одинаковое расстояние во всем мире, поэтому 100-метровая трасса в одной стране – это точно такое же расстояние, как и 100-метровая трасса в другой стране. Теперь у нас есть универсальная база для сравнения.
Стандартный водородный электрод
Ряд активности позволяет нам предсказать относительную химическую активность различных материалов при их использовании в окислительно-восстановительных процессах.Мы также знаем, что можем создать электрический ток, сочетая химические процессы. Но как предсказать ожидаемое количество тока, которое будет проходить через систему? Мы измеряем этот поток как напряжение (электродвижущую силу или разность потенциалов).
Для этого нам нужен способ сравнения степени электронного потока в различных химических системах. Лучший способ сделать это – иметь базовый уровень, который мы используем – стандарт, по которому можно все измерить. Для определения токов и напряжений полуреакции используется стандартный водородный электрод .На рисунке ниже показан этот электрод. Платиновый провод проводит электричество по цепи. Проволока погружается в 1,0 М раствор сильной кислоты и барботируется газ H 2 при давлении в одну атмосферу и температуре 25 ° C. Половина реакции на этом электроде равна.
Рисунок 23.4
Стандартный водородный электрод.
В этих условиях потенциал восстановления водорода определяется как точно равный нулю.Мы называем это стандартным восстановительным потенциалом.
Затем мы можем использовать эту систему для измерения потенциалов других электродов в полуячейке. Во втором полуячейке находится металл и одна из его солей (часто используется сульфат). Мы будем использовать цинк в качестве нашего примера (см. Рисунок ниже).
Рисунок 23,5
Стандартный водородный полуэлемент в паре с цинковым полуэлементом.
Наблюдая за реакцией, мы замечаем, что масса твердого цинка уменьшается в ходе реакции.Это говорит о том, что реакция, происходящая в этой полуячейке, равна
.Итак, в ячейке происходит следующий процесс:
, а измеренное напряжение ячейки составляет 0,76 В (сокращенно v).
Мы определяем стандартную ЭДС (электродвижущую силу) элемента как:
Мы можем сделать то же самое с медной ячейкой ( Рисунок ниже).
Рисунок 23.6
Стандартный водородный полуэлемент в паре с медным полуэлементом.
По мере того, как мы запускаем реакцию, мы видим, что масса меди увеличивается, поэтому запишем полуреакцию:
Это делает медный электрод катодом. Теперь у нас есть две полуреакции:
и определяем для системы 0.34 v.
снова,
Теперь мы хотим построить систему, в которой задействованы и цинк, и медь. Из ряда показателей активности мы знаем, что цинк будет окисляться, а медь восстанавливаться, поэтому мы можем использовать имеющиеся значения:
Сводка
- Описана конструкция стандартного водородного электрода.
- Приведены примеры использования этого электрода для определения восстановительных потенциалов.
Практика
Вопросы
Посмотрите видео по ссылке ниже и ответьте на следующие вопросы:
Нажмите на изображение выше, чтобы увидеть больше
http://www.youtube.com/watch?v=mrOm6xZip6k
- Почему катион перемещается через солевой мостик в сторону водорода?
- Почему цинковый полуэлемент является анодом?
- Как определяется стандартный потенциал?
Обзор
Вопросы
- Каков определенный потенциал водородного электрода?
- Каков химический состав этого электрода?
- Каковы стандартные условия для другого полуэлемента?
- стандартный водородный электрод: Стандартное измерение электродного потенциала для термодинамической шкалы окислительно-восстановительных потенциалов.
- Выполните расчет стандартного потенциала ячейки.
- Опишите способность материалов участвовать в окислительно-восстановительных реакциях на основе стандартных данных о потенциале клеток.
Защищает от ржавчины
Под воздействием влаги сталь довольно быстро начинает ржаветь. Это создает значительную проблему для таких предметов, как гвозди, которые подвергаются воздействию атмосферы. Гвозди можно защитить, покрыв их металлическим цинком, сделав гальванизированный гвоздь.Цинк окисляется с большей вероятностью, чем железо в стали, поэтому он предотвращает развитие ржавчины на гвозде.
Расчет стандартных потенциалов ячеек
Для функционирования любой электрохимический элемент должен состоять из двух полуэлементов. Приведенная ниже таблица может использоваться для определения реакций, которые будут происходить, и стандартного потенциала клетки для любой комбинации двух полуэлементов без фактического построения клетки. Половина ячейки с более высоким потенциалом восстановления в соответствии с таблицей будет подвергаться восстановлению внутри ячейки.Половина ячейки с более низким потенциалом восстановления подвергнется окислению внутри ячейки. Если эти спецификации соблюдены, общий потенциал ячейки будет положительным значением. Потенциал клетки должен быть положительным, чтобы окислительно-восстановительная реакция клетки была спонтанной. Если бы был рассчитан отрицательный потенциал клетки, эта реакция была бы спонтанной в обратном направлении.
Стандартный восстановительный потенциал при 25 ° C | |
---|---|
Половина реакции | E o (V) |
Факс 2 + 2e – → 2F – | +2.87 |
PbO 2 + 4H + + SO 4 2- + 2e – → PbSO 4 + 2H 2 O | +1,70 |
MnO 4 – + 8H + + 5e – → Mn 2+ + 4H 2 O | +1,51 |
Au 3+ + 3e – → Au | +1,50 |
Класс 2 + 2e – → 2Cl – | +1.36 |
Cr 2 O 7 2- + 14H + + 6e – → 2Cr 3+ + 7H 2 O | +1,33 |
O 2 + 4H + + 4e – → 2H 2 O | +1.23 |
Br 2 + 2e – → 2Br – | +1.07 |
НЕТ 3 – + 4H + + 3e – → NO + 2H 2 O | +0.96 |
2Hg 2+ + 2e – → Hg 2 2+ | +0,92 |
Hg 2+ + 2e – → Hg | +0,85 |
Ag + + e – → Ag | +0,80 |
Fe 3+ + e – → Fe 2+ | +0,77 |
I 2 + 2e – → 2I – | +0.53 |
Cu + + e – → Cu | +0,52 |
O 2 + 2H 2 O + 4e – → 4OH – | +0,40 |
Cu 2+ + 2e – → Cu | +0,34 |
Sn 4+ + 2e – → Sn 2+ | +0,13 |
2H + + 2e – → H 2 | 0.00 |
Pb 2+ + 2e – → Pb | -0,13 |
Sn 2+ + 2e – → Sn | -0,14 |
Ni 2+ + 2e – → Ni | -0,25 |
Co 2+ + 2e – → Co | -0,28 |
PbSO 4 + 2e – → Pb + SO 4 2- | -0,31 |
Cd 2+ + 2e – → Cd | −0.40 |
Fe 2+ + 2e – → Fe | -0,44 |
Cr 3+ + 3e – → Cr | -0,74 |
Zn 2+ + 2e – → Zn | -0,76 |
2H 2 O + 2e – → H 2 + 2OH – | -0,83 |
Mn 2+ + 2e – → Mn | -1,18 |
Al 3+ + 3e – → Al | -1.66 |
Be 2+ + 2e – → Be | -1,70 |
мг 2+ + 2e – → мг | -2,37 |
Na + + e – → Na | -2,71 |
Ca 2+ + 2e – → Ca | -2,87 |
Sr 2+ + 2e – → Sr | -2,89 |
Ba 2+ + 2e – → Ba | -2.90 |
руб + + д – → руб | -2,92 |
К + + е – → К | -2,92 |
CS + + e – → CS | -2,92 |
Li + + e – → Li | −3,05 |
Пример задачи: расчет стандартных потенциалов ячеек
Рассчитайте стандартный потенциал гальванического элемента, который использует реакции полуэлементов Ag / Ag + и Sn / Sn 2+ .Напишите сбалансированное уравнение для общей реакции клетки. Определите анод и катод.
Шаг 1. Составьте список известных значений и спланируйте проблему.
Известный
Неизвестно
Серебряный полуэлемент подвергнется восстановлению, потому что его стандартный восстановительный потенциал выше. Оловянный полуэлемент подвергнется окислению. Общий потенциал ячейки можно рассчитать с помощью уравнения.
Шаг 2: Решить.
Перед сложением двух реакций количество электронов, потерянных при окислении, должно равняться количеству электронов, полученных при восстановлении. Реакцию серебряных полуэлементов необходимо умножить на два. После этого и добавления к реакции оловянных полуэлементов получается общее уравнение.
Рассчитан потенциал ячейки.
Шаг 3. Подумайте о своем результате.
Стандартный потенциал клетки положительный, поэтому реакция спонтанная, как написано.Олово окисляется на аноде, а ион серебра восстанавливается на катоде. Обратите внимание, что напряжение для восстановления ионов серебра не удваивается, даже несмотря на то, что половину реакции восстановления пришлось удвоить, чтобы сбалансировать общее окислительно-восстановительное уравнение.
Окисляющие и восстанавливающие агенты
Вещество, которое очень легко восстанавливается, является сильным окислителем. И наоборот, вещество, которое очень легко окисляется, является сильным восстановителем. Согласно стандартной таблице потенциалов клеток фтор (F 2 ) является сильнейшим окислителем.Он окислит любое вещество, указанное ниже в таблице. Например, фтор будет окислять металлическое золото в соответствии со следующей реакцией.
Металлический литий (Li) – сильнейший восстановитель. Он способен уменьшить количество любых веществ, перечисленных выше в таблице. Например, литий будет восстанавливать воду в соответствии с этой реакцией.
Использование приведенной выше таблицы позволит вам предсказать, возникнут реакции или нет. Например, металлический никель способен восстанавливать ионы меди (II), но не способен восстанавливать ионы цинка.Это связано с тем, что содержание никеля (Ni) ниже Cu 2+ , но выше Zn 2+ в таблице.
Сводка
- Описаны стандартные расчеты потенциала ячейки.
- Даны рекомендации по прогнозированию возможностей реакции с использованием стандартных клеточных потенциалов.
Практика
Прочтите материал по ссылке ниже и ответьте на вопросы в конце:
http://chemwiki.ucdavis.edu/Analytical_Chemistry/Electrochemistry/Voltaic_Cells/The_Cell_Potential#Problems
Обзор
Вопросы
- Какому типу реакции подвергнется полуэлемент с более высоким восстановительным потенциалом?
- Каким должен быть общий потенциал клетки, чтобы реакция была спонтанной?
- Является ли Zn 2+ более сильным или более слабым восстановителем, чем Mg 2+ ?
- Опишите устройство сухой камеры.
- Запишите реакции для обычного сухого элемента и сухого щелочного элемента.
- Опишите конструкцию свинцовой аккумуляторной батареи.
- Записать реакции для светодиодной аккумуляторной батареи.
Ой, больно
Алессандро Вольта разработал первый «гальванический элемент» в 1800 году (на фото выше). Эта батарея состояла из чередующихся дисков из цинка и серебра с кусочками картона, пропитанными рассолом, разделяющими диски. Поскольку в то время не было вольтметров (и понятия не было, что электрический ток был вызван потоком электронов), Вольте пришлось полагаться на другой показатель мощности батареи: количество произведенного удара (никогда не стоит проверять что-то на себе. ).Он обнаружил, что интенсивность удара возрастает с увеличением количества металлических пластин в системе. Приборы с двадцатью пластинами вызвали довольно болезненный шок. Хорошо, что сегодня у нас есть вольтметры для измерения электрического тока, а не метод «ткните пальцем и скажите, что вы чувствуете».
Аккумуляторы
Два варианта основного гальванического элемента – это сухой элемент и свинцовая аккумуляторная батарея.
Сухие камеры
Многие обычные батареи, такие как те, которые используются в фонариках или пультах дистанционного управления, представляют собой сухие гальванические элементы.Эти батареи называются сухими элементами, потому что электролит представляет собой пасту. Они относительно недороги, но служат недолго и не подлежат перезарядке.
Рисунок 23.7
Сухой цинк-угольный элемент.
В сухом цинково-углеродном элементе анодом является цинковый контейнер, а катодом – углеродный стержень, проходящий через центр элемента. Паста состоит из оксида марганца (IV) (MnO 2 ), хлорида аммония (NH 4 Cl) и хлорида цинка (ZnCl 2 ) в воде.Полуреакции для этого сухого элемента:
Анод (окисление):
Катод (восстановление):
Паста предотвращает свободное перемешивание содержимого сухой ячейки, поэтому солевой мостик не требуется. Углеродный стержень является только проводником и не подвергается восстановлению. Напряжение, создаваемое свежим сухим элементом, составляет 1,5 В, но уменьшается во время использования.
Щелочная батарея представляет собой разновидность угольно-цинковой батареи. Щелочная батарея не имеет углеродного стержня и использует пасту из металлического цинка и гидроксида калия вместо твердого металлического анода.Катодная полуреакция такая же, но анодная полуреакция отличается.
Анод (окисление):
Преимущества щелочной батареи в том, что она имеет более длительный срок хранения и не снижается напряжение во время использования.
Свинцовые аккумуляторы
Батарея представляет собой группу электрохимических ячеек, объединенных вместе в качестве источника постоянного электрического тока при постоянном напряжении. Сухие элементы не являются настоящими батареями, поскольку они состоят только из одного элемента.Свинцовая аккумуляторная батарея обычно используется в качестве источника энергии в автомобилях и других транспортных средствах. Он состоит из шести соединенных вместе идентичных ячеек, каждая из которых имеет свинцовый анод и катод из оксида свинца (IV) (PbO 2 ), установленных на металлической пластине.
Рисунок 23.8
Свинцовые аккумуляторные батареи, используемые в автомобилях, состоят из шести идентичных электрохимических ячеек и являются перезаряжаемыми.
Катод и анод погружены в водный раствор серной кислоты, которая действует как электролит.Клеточные реакции:
Каждая ячейка свинцовой аккумуляторной батареи вырабатывает 2 В, таким образом, всего 12 В вырабатывается всей батареей. Он используется для запуска автомобиля или питания других электрических систем.
В отличие от сухого элемента, свинцовая аккумуляторная батарея является перезаряжаемой. Обратите внимание, что прямая окислительно-восстановительная реакция генерирует твердый сульфат свинца (II), который медленно накапливается на пластинах. Дополнительно снижается концентрация серной кислоты. Когда автомобиль работает нормально, его генератор подзаряжает аккумулятор, заставляя вышеуказанные реакции протекать в противоположном или несамопроизвольном направлении.
Эта реакция восстанавливает свинец, оксид свинца (IV) и серную кислоту, необходимые для правильного функционирования батареи. Теоретически свинцовый аккумулятор должен работать вечно. На практике перезарядка не эффективна на 100%, потому что часть сульфата свинца (II) падает с электродов и собирается на дне ячеек.
Сводка
- Приведены конструкции сухого элемента и батареи.
- Описаны химические реакции обоих типов.
Практика
Вопросы
Прочтите материал по ссылке ниже и ответьте на следующие вопросы:
http://www.fueleconomy.gov/feg/fuelcell.shtml
также щелкните ссылку на батарею топливных элементов, выделенную на странице.
- Где водород попадает в топливный элемент?
- Как производятся электроны?
- Куда уходят электроны?
- Что является продуктом реакции топливного элемента?
Обзор
Вопросы
- Какой цели служит угольный стержень в сухом элементе?
- Где щелочная батарея получила свое название?
- Почему зарядка автомобильного аккумулятора неэффективна на 100%?
- аккумулятор: Группа электрохимических элементов, объединенных вместе как источник постоянного электрического тока с постоянным напряжением.
- Определить электролиз.
- Опишите работу и функцию электролитической ячейки.
У нас уже есть тепло?
В 1989 году двое ученых заявили, что они достигли «холодного синтеза», процесса соединения элементов друг с другом при комнатной температуре для получения энергии. Гипотеза заключалась в том, что синтез произведет больше энергии, чем требуется для того, чтобы этот процесс произошел. Их процесс включал электролиз тяжелой воды (молекулы воды, содержащие некоторое количество дейтерия вместо обычного водорода) на палладиевом электроде.Эти эксперименты не могли быть воспроизведены, а их научная репутация была подорвана. Однако в последние годы как промышленные, так и государственные исследователи по-новому взглянули на этот процесс. Изображенное выше устройство является частью государственного проекта, и НАСА также завершает некоторые исследования по этой теме. В конце концов, холодный синтез может быть не таким «холодным».
Ячейки электролитические
Гальванический элемент использует спонтанную окислительно-восстановительную реакцию для генерации электрического тока.Также можно поступить наоборот. Когда к электрохимической ячейке подается внешний источник постоянного тока, может протекать реакция, которая обычно не является спонтанной. Электролиз – это процесс, в котором электрическая энергия используется для того, чтобы вызвать неспонтанную химическую реакцию. Электролиз отвечает за внешний вид многих повседневных предметов, таких как позолоченные или посеребренные украшения и хромированные автомобильные бамперы.
Электролитическая ячейка – это устройство, используемое для проведения реакции электролиза.В электролитической ячейке электрический ток применяется для обеспечения источника электронов для запуска реакции в неспонтанном направлении. В гальванической ячейке реакция идет в направлении спонтанного высвобождения электронов. В электролитической ячейке поступление электронов от внешнего источника заставляет реакцию идти в противоположном направлении.
Рисунок 23.9
Ячейка Zn / Cu.
Спонтанное направление реакции между Zn и Cu – это окисление металлического Zn до ионов Zn 2+ , в то время как ионы Cu 2+ восстанавливаются до металлической Cu.Это делает цинковый электрод анодом, а медный электрод катодом. Когда те же полуэлементы подключаются к батарее через внешний провод, реакция происходит в противоположном направлении. Цинковый электрод теперь является катодом, а медный электрод – анодом.
Стандартный потенциал клетки отрицательный, что указывает на неспонтанную реакцию. Батарея должна быть способна выдавать не менее 1,10 В постоянного тока, чтобы реакция могла произойти. Еще одно различие между гальванической ячейкой и электролитической ячейкой – это знаки электродов.В гальваническом элементе анод отрицательный, а катод положительный. В электролитической ячейке анод положительный, потому что он подключен к положительной клемме батареи. Следовательно, катод отрицательный. Электроны все еще проходят через ячейку от анода к катоду.
Сводка
- Описание функции электролитической ячейки.
- Приведены реакции, иллюстрирующие электролиз.
Практика
Вопросы
Посмотрите видео по ссылке ниже и ответьте на следующие вопросы:
Нажмите на изображение выше, чтобы увидеть больше
http: // www.youtube.com/watch?v=y4yYF8gSHdA
- Что было источником электричества?
- Для чего использовалась сталь, прикрепленная к электроду?
- Что используется для передачи электрического тока?
Обзор
Вопросы
- Какими будут продукты спонтанной реакции между Zn / Zn 2+ и Cu / Cu 2+ ?
- Откуда мы знаем, что реакция, образующая Cu 2+ , не является спонтанной?
- Каким будет напряжение реакции, в которой металлический Zn образует Zn 2+ ?
- электролиз: Процесс, в котором электрическая энергия используется для возникновения несамопроизвольной химической реакции.
- электролитическая ячейка: Аппарат, используемый для проведения реакции электролиза.
- Опишите экспериментальную установку для электролиза воды.
- Напишите уравнения реакций, участвующих в процессе.
Больше энергии от солнца?
Поскольку ископаемое топливо становится все более дорогим и менее доступным, ученые ищут другие источники энергии. Водород долгое время считался идеальным источником, поскольку он не загрязняет окружающую среду при горении.Проблема заключалась в том, чтобы найти способы экономичного производства водорода. Один из новых подходов, который изучается, – это фотоэлектролиз – производство электричества с использованием фотоэлектрических элементов для расщепления молекул воды. Этот метод все еще находится на стадии исследования, но, похоже, в будущем он станет очень многообещающим источником энергии.
Электролиз воды
При электролизе воды образуются водород и кислород. Электролитическая ячейка состоит из пары платиновых электродов, погруженных в воду, в которую было добавлено небольшое количество электролита, такого как H 2 SO 4 .0 _ {\ text {cell}} = – 2.06 \ text {V} [/ latex]
Чтобы получить полную реакцию, полуреакцию восстановления умножали на два, чтобы уравнять электроны. Ионы водорода и гидроксид-ионы, образующиеся в каждой реакции, объединяются с образованием воды. H 2 SO 4 не расходуется в реакции.
Рисунок 23.10
Аппарат для производства газообразного водорода и кислорода электролизом воды.
Сводка
- Описан электролиз воды.
Практика
Вопросы
Посмотрите видео по ссылке ниже и ответьте на следующие вопросы:
Нажмите на изображение выше, чтобы увидеть больше
www.youtube.com/watch?v=HQ9Fhd7P_HA
- Что такое электроды?
- Что такое источник питания?
- Что добавляется в воду для облегчения подачи электричества?
- В какой пробирке содержится водород?
Обзор
Вопросы
- Какие электроды используются в реакции?
- Почему используется серная кислота?
- На каком электроде появляется кислород?
- Запишите реакции электролиза расплавленного NaCl в ячейке Дауна.
- Напишите реакции электролиза водного раствора хлорида натрия.
Большой счет за электричество
Производство NaOH – важный производственный процесс. Используются три различных метода, каждый из которых предполагает использование электричества. При расчете цены на гидроксид натрия, которую компания должна взимать для получения прибыли, необходимо учитывать стоимость электроэнергии. Для производства метрической тонны NaOH требуется 3300-5000 кВтч (киловатт-часов).Сравните это с мощностью, необходимой для содержания среднего дома. Таким же количеством электричества можно было обеспечить дом в течение 6-10 месяцев.
Электролиз расплавленного хлорида натрия
Расплавленный (жидкий) хлорид натрия может быть подвергнут электролизу для получения металлического натрия и газообразного хлора. Электролитическая ячейка, используемая в процессе, называется ячейкой Дауна (см. Рисунок ниже).
Рисунок 23.11
Ячейка Дауна используется для электролиза расплавленного хлорида натрия.
В ячейке Дауна жидкие ионы натрия восстанавливаются на катоде до жидкого металлического натрия. На аноде жидкие хлорид-ионы окисляются до газообразного хлора. Реакции и потенциалы клеток показаны ниже:
Для проведения этого электролиза батарея должна подавать более 4 вольт. Эта реакция является основным источником образования газообразного хлора и единственным способом получения чистого металлического натрия. Газообразный хлор широко используется при очистке, дезинфекции и в плавательных бассейнах.
Электролиз водного хлорида натрия
Логично предположить, что электролиз водного раствора хлорида натрия, называемого солевым раствором , даст тот же результат посредством тех же реакций, что и процесс в расплавленном NaCl. Однако реакция восстановления, которая происходит на катоде, не дает металлического натрия, потому что вместо этого восстанавливается вода. Это связано с тем, что потенциал восстановления для воды составляет всего -0,83 В по сравнению с -2,71 В для восстановления ионов натрия.Это делает уменьшение количества воды предпочтительным, поскольку его восстановительный потенциал менее отрицательный. Газообразный хлор по-прежнему образуется на аноде, как и при электролизе расплавленного NaCl.
Поскольку гидроксид-ионы также являются продуктом чистой реакции, важный химический гидроксид натрия (NaOH) получается в результате испарения водного раствора в конце гидролиза.
Сводка
- Описаны реакции электролиза расплавленного NaCl.
- Описаны реакции электролиза рассола.
Практика
Вопросы
Прочтите материал по ссылке ниже и ответьте на следующие вопросы:
http://www.citycollegiate.com/sblock1.htm
- Как натрий выводится из клетки?
- Почему в систему добавлен CaCl 2 ?
- Почему металлический кальций не загрязняет производство натрия?
Обзор
Вопросы
- Какие продукты электролиза расплава NaCl?
- Какие продукты электролиза водного NaCl?
- Какой ион-наблюдатель не показан в общем уравнении электролиза водного NaCl?
- рассол: Водный раствор хлорида натрия.
- Ячейка Дауна: Аппарат, используемый для промышленного производства металлического натрия и газообразного хлора.
- Определите гальваническое покрытие.
- Напишите типичную реакцию гальваники.
Кто-нибудь знает, где мы находимся?
Астролябия (изображенная выше в разобранном виде) была устройством, используемым для изучения движения планет и проведения съемок. Большинство астролябий были сделаны из латуни, но эта покрыта золотом, которое стирается.Персидские мистики также использовали астролябию для наблюдения за звездами и составления астрологических предсказаний.
Гальваника
Многие декоративные предметы, например ювелирные изделия, изготавливаются с помощью электролитического процесса. Гальваника – это процесс, в котором ион металла восстанавливается в электролитической ячейке, а твердый металл осаждается на поверхность. Рисунок ниже показывает ячейку, в которой металлическая медь должна быть нанесена на второй металл.
Рисунок 23.12
Гальваника второго металла медью.
Ячейка состоит из раствора сульфата меди и полоски меди, которая действует как анод. Металл (Me) – это катод. Анод соединен с положительным электродом батареи, а металл – с отрицательным электродом.
Когда цепь замкнута, металлическая медь с анода окисляется, позволяя ионам меди проникать в раствор.
Между тем ионы меди из раствора восстанавливаются до металлической меди на поверхности катода (второй металл):
Концентрация ионов меди в растворе практически постоянна.Это связано с тем, что в процессе гальваники металл переносится с анода на катод ячейки. Другие металлы, обычно наносимые на предметы, включают хром, золото, серебро и платину.
Сводка
- Описан процесс нанесения гальванических покрытий.
Практика
Вопросы
Посмотрите видео по ссылке ниже и ответьте на следующие вопросы:
Нажмите на изображение выше, чтобы увидеть больше
http: // www.youtube.com/watch?v=Q8Xo43sfLgY
- Какое решение используется?
- Как он тестировал систему?
- Почему батареи лучше, чем настенные, для электрического тока?
- Что было анодом?
Обзор
Вопросы
- Что такое анод в процессе гальваники с использованием меди?
- Что обеспечивает электрический ток?
- Какие другие металлы можно наносить на предметы?
- гальваника: Процесс, при котором ион металла восстанавливается в электролитической ячейке, а твердый металл осаждается на поверхность.
1 | Найдите количество нейтронов | H | |
2 | Найдите массу 1 моля | H_2O | |
3 | Весы | H_2 (SO_4) + K (OH) → K_2 (SO_4) + H (OH) | |
4 | Найдите массу 1 моля | H | |
5 | Найдите количество нейтронов | Fe | |
6 | Найдите количество нейтронов | TC | |
7 | Найдите электронную конфигурацию | H | |
8 | Найдите количество нейтронов | Ca | |
9 | Весы | СН_4 + O_2 → H_2O + CO_2 | |
10 | Найдите количество нейтронов | С | |
11 | Найдите число протонов | H | |
12 | Найдите количество нейтронов | O | |
13 | Найдите массу 1 моля | CO_2 | |
14 | Весы | C_8H_18 + O_2 → CO_2 + H_2O | |
15 | Найдите атомную массу | H | |
16 | Определить, растворимо ли соединение в воде | H_2O | |
17 | Найдите электронную конфигурацию | Na | |
18 | Найдите массу отдельного атома | H | |
19 | Найдите количество нейтронов | Nb | |
20 | Найдите количество нейтронов | Au | |
21 | Найдите количество нейтронов | Мн | |
22 | Найдите количество нейтронов | Ру | |
23 | Найдите электронную конфигурацию | O | |
24 | Найдите массовые проценты | H_2O | |
25 | Определить, растворимо ли соединение в воде | NaCl | |
26 | Найдите эмпирическую / простейшую формулу | H_2O | |
27 | Найдите числа окисления | H_2O | |
28 | Найдите электронную конфигурацию | К | |
29 | Найдите электронную конфигурацию | мг | |
30 | Найдите электронную конфигурацию | Ca | |
31 | Найдите количество нейтронов | Rh | |
32 | Найдите количество нейтронов | Na | |
33 | Найдите количество нейтронов | Pt | |
34 | Найдите количество нейтронов | Be | Be |
35 | Найдите количество нейтронов | Cr | |
36 | Найдите массу 1 моля | H_2SO_4 | |
37 | Найдите массу 1 моля | HCl | |
38 | Найдите массу 1 моля | Fe | |
39 | Найдите массу 1 моля | С | |
40 | Найдите количество нейтронов | Cu | |
41 | Найдите количество нейтронов | S | |
42 | Найдите числа окисления | H | |
43 | Весы | CH_4 + O_2 → CO_2 + H_2O | |
44 | Найдите атомную массу | O | |
45 | Найдите атомный номер | H | |
46 | Найдите количество нейтронов | Пн | |
47 | Найдите количество нейтронов | Os | |
48 | Найдите массу 1 моля | NaOH | |
49 | Найдите массу 1 моля | O | |
50 | Найдите электронную конфигурацию | Fe | |
51 | Найдите электронную конфигурацию | С | |
52 | Найдите массовые проценты | NaCl | |
53 | Найдите массу 1 моля | К | |
54 | Найдите массу отдельного атома | Na | |
55 | Найдите количество нейтронов | N | |
56 | Найдите количество нейтронов | Li | |
57 | Найдите количество нейтронов | В | |
58 | Найдите число протонов | N | |
59 | Упростить | H ^ 2O | |
60 | Упростить | ч * 2o | |
61 | Определить, растворимо ли соединение в воде | H | |
62 | Найдите плотность в STP | H_2O | |
63 | Найдите числа окисления | NaCl | |
64 | Найдите атомную массу | He | He |
65 | Найдите атомную массу | мг | |
66 | Найдите число электронов | H | |
67 | Найдите число электронов | O | |
68 | Найдите число электронов | S | |
69 | Найдите количество нейтронов | Pd | |
70 | Найдите количество нейтронов | рт. Ст. | |
71 | Найдите количество нейтронов | B | |
72 | Найдите массу отдельного атома | Li | |
73 | Найдите эмпирическую формулу | H = 12%, C = 54%, N = 20 | “ |
74 | Найдите число протонов | Be | Be |
75 | Найдите массу 1 моля | Na | |
76 | Найдите электронную конфигурацию | Co | |
77 | Найдите электронную конфигурацию | S | |
78 | Весы | C_2H_6 + O_2 → CO_2 + H_2O | |
79 | Весы | H_2 + O_2 → H_2O | |
80 | Найдите электронную конфигурацию | -P | |
81 | Найдите электронную конфигурацию | Пб | |
82 | Найдите электронную конфигурацию | Al | |
83 | Найдите электронную конфигурацию | Ar | |
84 | Найдите массу 1 моля | О_2 | |
85 | Найдите массу 1 моля | H_2 | |
86 | Найдите количество нейтронов | К | |
87 | Найдите количество нейтронов | -P | |
88 | Найдите количество нейтронов | мг | |
89 | Найдите количество нейтронов | Вт | |
90 | Найдите массу отдельного атома | С | |
91 | Упростить | na + cl | |
92 | Определить, растворимо ли соединение в воде | H_2SO_4 | |
93 | Найдите плотность в STP | NaCl | |
94 | Найдите числа окисления | C_6H_12O_6 | |
95 | Найдите числа окисления | Na | |
96 | Определить, растворимо ли соединение в воде | C_6H_12O_6 | |
97 | Найдите атомную массу | Класс | |
98 | Найдите атомную массу | Fe | |
99 | Найдите эмпирическую / простейшую формулу | CO_2 | |
100 | Найдите количество нейтронов | млн т |
Характеристики монет | U.С. Монетный двор
Сколько весит десятицентовик? Из чего сделаны гроши? В приведенной ниже таблице приведены характеристики монет, являющихся законным платежным средством Монетного двора США, которые в настоящее время производятся для годовых наборов. Спецификации для американских инновационных монет за 1 доллар и американских индейских монет за 1 доллар одинаковы.
Номинал | Cent | никель | Дайм | Четверть доллара | Полдоллара | Доллар |
---|---|---|---|---|---|---|
Состав | цинк с медным покрытием 2.5% Cu | Медно-никель 25% Ni | Медно-никель 8,33% Ni | Медно-никель 8,33% Ni | Медно-никель 8,33% Ni | Марганец-Латунь 88,5% Cu |
Масса | 2,500 г | 5.000 г | 2,268 г | 5.670 г | 11,340 г | 8,1 г |
Диаметр | 0,750 дюйма 19,05 мм | 0,835 дюйма 21,21 мм | 0,705 дюйма 17,91 мм | 0,955 дюйма 24,26 мм | 1,205 дюйма 30,61 мм | 1,043 дюйма 26,49 мм |
Толщина | 1,52 мм | 1,95 мм | 1,35 мм | 1,75 мм | 2,15 мм | 2,00 мм |
Кромка | Обычная | Обычная | тростник | тростник | тростник | Обводка по краю |
No.тростников | НЕТ | НЕТ | 118 | 119 | 150 | НЕТ |