Evolución del oxígeno
La evolución del oxígeno es el proceso de generación de oxígeno molecular (O2 ) mediante una reacción química , generalmente a partir del agua. La evolución del oxígeno a partir del agua se lleva a cabo mediante la fotosíntesis oxigénica , la electrólisis del agua y la descomposición térmica de varios óxidos. El proceso biológico sustenta la vida aeróbica. Cuando se requiere oxígeno relativamente puro a nivel industrial, se aísla destilando aire licuado. [1]
Evolución del oxígeno en la naturaleza
La evolución fotosintética del oxígeno es el proceso fundamental por el cual se genera oxígeno en la biosfera de la Tierra . La reacción es parte de las reacciones dependientes de la luz de la fotosíntesis en las cianobacterias y los cloroplastos de las algas verdes y las plantas . Utiliza la energía de la luz para dividir una molécula de agua en sus protones y electrones para la fotosíntesis. El oxígeno libre, generado como subproducto de esta reacción, se libera a la atmósfera . [2] [3]
La oxidación del agua es catalizada por un cofactor que contiene manganeso , que se encuentra en el fotosistema II , conocido como complejo generador de oxígeno (OEC) o complejo de descomposición del agua. El manganeso es un cofactor importante , y también se requieren calcio y cloruro para que se produzca la reacción. [4] La estequiometría de esta reacción es la siguiente:
- 2H 2 O ⟶ 4e − + 4H + + O 2
Los protones se liberan en el lumen del tilacoide , lo que contribuye a la generación de un gradiente de protones a través de la membrana del tilacoide. Este gradiente de protones es la fuerza impulsora de la síntesis de trifosfato de adenosina (ATP) a través de la fotofosforilación y el acoplamiento de la absorción de energía luminosa y la oxidación del agua para la creación de energía química durante la fotosíntesis. [5]
Historia del descubrimiento
No fue hasta finales del siglo XVIII cuando Joseph Priestley descubrió accidentalmente la capacidad de las plantas para "restaurar" el aire que había sido "dañado" por la quema de una vela. Continuó el experimento demostrando que el aire "restaurado" por la vegetación "no era en absoluto incómodo para un ratón ". Más tarde recibió una medalla por sus descubrimientos de que "... ningún vegetal crece en vano... sino que limpia y purifica nuestra atmósfera". Los experimentos de Priestley fueron evaluados más a fondo por Jan Ingenhousz , un médico holandés, quien luego demostró que la "restauración" del aire solo funcionaba en presencia de luz y partes verdes de las plantas. [4]
Electrólisis del agua
Junto con el hidrógeno (H 2 ), el oxígeno se desprende mediante la electrólisis del agua . El objetivo de la electrólisis del agua es almacenar energía en forma de gas hidrógeno, un combustible de combustión limpia. La "reacción de desprendimiento de oxígeno (REA) es el principal obstáculo [para la electrólisis del agua] debido a la lenta cinética de esta reacción de transferencia de cuatro electrones". [6] Todos los catalizadores prácticos son heterogéneos .
Los electrones (e − ) se transfieren del cátodo a los protones para formar gas hidrógeno. La semirreacción , balanceada con ácido, es:
- 2H + + 2e− → H2
En el ánodo cargado positivamente se produce una reacción de oxidación , generando gas oxígeno y liberando electrones al ánodo para completar el circuito:
- 2 H 2 O → O 2 + 4 H + + 4e −
La combinación de cualquiera de los dos pares de semirreacciones produce la misma descomposición general de agua en oxígeno e hidrógeno:
- Reacción general:
- 2H2O → 2H2 + O2
Generación química de oxígeno
Aunque algunos óxidos metálicos liberan O2 cuando se calientan, estas conversiones generalmente requieren altas temperaturas. Algunos compuestos liberan O2 a temperaturas suaves. Los generadores químicos de oxígeno consisten en compuestos químicos que liberan O2 cuando se estimulan, generalmente mediante calor. Se utilizan en submarinos y aviones comerciales para proporcionar oxígeno de emergencia. El oxígeno se genera mediante la descomposición a alta temperatura del clorato de sodio : [1]
- 2NaClO3 → 2NaCl + 3O2
El permanganato de potasio también libera oxígeno al calentarse, pero el rendimiento es modesto.
- 2 KMnO 4 → MnO 2 + K 2 MnO 4 + O 2
Véase también
Referencias
- ^ ab Greenwood, Norman N. ; Earnshaw, Alan (1997). Química de los elementos (2.ª ed.). Butterworth-Heinemann . ISBN 978-0-08-037941-8.
- ^ Yano, Junko; Kern, Jan; Yachandra, Vittal K.; Nilsson, Håkan; Koroidov, Sergey; Messinger, Johannes (2015). "Capítulo 2 Producción de dioxígeno dependiente de la luz en la fotosíntesis ". En Peter MH Kroneck y Martha E. Sosa Torres (ed.). Sustentando la vida en el planeta Tierra: metaloenzimas que dominan el dioxígeno y otros gases masticables . Iones metálicos en las ciencias de la vida. Vol. 15. Springer. págs. 13–43. doi :10.1007/978-3-319-12415-5_2. ISBN . 978-3-319-12414-8. PMC 4688042 . PMID 25707465.
- ^ Greife, Paul; Schönborn, Matthias; Capone, Matteo; Assunção, Ricardo; Narzi, Daniele; Guidoni, Leonardo; Dau, Holger (2023). "El cuello de botella electrón-protón de la evolución del oxígeno fotosintético". Nature . 617 (7961): 623–628. Bibcode :2023Natur.617..623G. doi : 10.1038/s41586-023-06008-5 . PMC 10191853 . PMID 37138082.
- ^ ab Raven, Peter H.; Ray F. Evert; Susan E. Eichhorn (2005). Biología de las plantas, 7.ª edición . Nueva York: WH Freeman and Company Publishers. págs. 115-127. ISBN 0-7167-1007-2.
- ^ Raval M, Biswal B, Biswal U (2005). "El misterio de la evolución del oxígeno: análisis de la estructura y función del fotosistema II, la agua-plastoquinona oxido-reductasa". Photosynthesis Research . 85 (3): 267–93. Bibcode :2005PhoRe..85..267R. doi :10.1007/s11120-005-8163-4. PMID 16170631. S2CID 12893308.
- ^ Canción, Jiajia; Wei, Chao; Huang, Zhen-Feng; Liu, Chuntai; Zeng, Lin; Wang, Xin; Xu, Zhichuan J. (2020). "Una revisión de los fundamentos para el diseño de electrocatalizadores de evolución de oxígeno". Reseñas de la sociedad química . 49 (7): 2196–2214. doi :10.1039/C9CS00607A. hdl : 10356/153346 . PMID 32133479. S2CID 212416753.
Enlaces externos
- Fisiología vegetal en línea, 4.ª edición: Tema 7.7: Evolución del oxígeno
- Evolución del oxígeno: notas de clase de Antony Crofts, UIUC
- Evolución de la atmósfera – Apuntes de clase, Regentes de la Universidad de Michigan
- Cómo producir oxígeno e hidrógeno a partir del agua mediante electrólisis
