Evolución del oxígeno
La evolución del oxígeno es el proceso químico de generación de oxígeno diatómico elemental (O2) mediante una reacción química, generalmente a partir del agua, el compuesto de óxido más abundante en el universo. La evolución del oxígeno en la Tierra se lleva a cabo mediante fotosíntesis oxigénica biótica, fotodisociación, hidroelectrólisis y descomposición térmica de varios óxidos y oxiácidos. Cuando se necesita oxígeno relativamente puro a nivel industrial, se aísla destilando aire licuado.
La evolución natural del oxígeno es esencial para el proceso biológico de toda la vida compleja en la Tierra, ya que la respiración aeróbica se ha convertido en el proceso bioquímico más importante de la termodinámica eucariota desde que los eucariotas evolucionaron a través de la simbiogénesis durante el eón Proterozoico, y dicho consumo solo puede continuar si el oxígeno se repone cíclicamente mediante la fotosíntesis. Los diversos eventos de oxigenación durante la historia de la Tierra no solo han influido en los cambios en la biosfera de la Tierra, sino que también han alterado significativamente la química atmosférica. La transición de la atmósfera de la Tierra de una atmósfera reductora prebiótica anóxica con alto contenido de metano y sulfuro de hidrógeno a una atmósfera oxidativa en la que el nitrógeno libre y el oxígeno constituyen el 99% de las fracciones molares, ha provocado importantes cambios climáticos y ha causado numerosos fenómenos de congelación y glaciaciones globales.
En las industrias, la reacción de evolución del oxígeno (REA) es un factor limitante en el proceso de generación de oxígeno molecular a través de reacciones químicas como la división del agua y la electrólisis, y una mejor electrocatálisis de la REA es la clave para el avance de una serie de tecnologías de energía renovable como los combustibles solares, las celdas de combustible regenerativas y las baterías de metal-aire.
Evolución del oxígeno en la naturaleza
La evolución fotosintética del oxígeno es el proceso fundamental mediante el cual se genera el oxígeno en la biosfera de la Tierra. La reacción forma 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.
La oxidación del agua es catalizada por un cofactor que contiene manganeso, que se encuentra en el fotosistema II y se conoce 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. La estequiometría de esta reacción es la siguiente:
- 2H2O ministra 4e− + 4H+ + O2
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.
Historia del descubrimiento
No fue hasta finales del siglo XVIII cuando Joseph Priestley descubrió accidentalmente la capacidad de las plantas para "recuperar" el aire que había sido "dañado" por la quema de una vela. Continuó el experimento demostrando que el aire "recuperado" por la vegetación no era en absoluto un inconveniente 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, que demostró que la "recuperación" del aire sólo funcionaba en presencia de luz y partes verdes de las plantas.
Electrolisis de agua
Junto con el hidrógeno (H2), 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". Todos los catalizadores prácticos son heterogéneos.
Los electrones (e−) se transfieren del cátodo a los protones para formar gas hidrógeno. La semirreacción, equilibrada con ácido, es:
- 2 H+ + 2e− → H2
En el ánodo cargado positivamente se produce una reacción de oxidación, que genera gas oxígeno y libera electrones al ánodo para completar el circuito:
- 2 H2O → O2 + 4 H+ + 4e−
La combinación de cualquiera de los dos pares de semirreacciones produce la misma descomposición general del agua en oxígeno e hidrógeno:
- Reacción general:
- 2 H2O → 2 H2 + O2
Generación de oxígeno químico
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:
- 2 NaClO3 → 2 NaCl + 3 O2
El permanganato de potasio también libera oxígeno al calentarse, pero el rendimiento es modesto.
- 2 KMnO4 → MnO2 + K2MnO4 + O2
Véase también
- Historia geológica del oxígeno
- Gran oxígeno Evento
- evento de oxigenación neoproterozoica
- Silurian-Devonian Terrestre Revolution
- Ciclo de oxígeno
Referencias
- ^ a b Greenwood, Norman N.; Earnshaw, Alan (1997). Química de los elementos (2a edición). 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 Dioxigeno de luz en fotosíntesis". En Peter M.H. Kroneck y Martha E. Sosa Torres (ed.). Sostenimiento de la vida en el planeta Tierra: Metalloenzymes Mastering Dioxygen y otros gases de efecto invernadero. Hiones de metal en Ciencias de la Vida. Vol. 15. Springer. pp. 13 –43. doi:10.1007/978-319-12415-5_2. ISBN 978-319-12414-8. PMC 4688042. PMID 25707465.
- ^ Greife, Paul; Schönborn, Matthias; Capone, Matteo; Assunção, Ricardo; Narzi, Daniele; Guidoni, Leonardo; Dau, Holger (2023). "El cuello de botella electrones-protones de la evolución fotosintética del oxígeno". Naturaleza. 617 (7961): 623 –628. Bibcode:2023Natur.617..623G. doi:10.1038/s41586-023-06008-5. PMC 10191853. PMID 37138082.
- ^ a b Raven, Peter H.; Ray F. Evert; Susan E. Eichhorn (2005). Biología de las plantas, 7a edición. New York: W.H. Freeman and Company Publishers. pp. 115 –127. ISBN 0-7167-1007-2.
- ^ Raval M, Biswal B, Biswal U (2005). "El misterio de la evolución del oxígeno: el análisis de la estructura y la función del fotosistema II, el 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.
- ^ Song, Jiajia; Wei, Chao; Huang, Zhen-Feng; Liu, Chuntai; Zeng, Lin; Wang, Xin; Xu, Zhichuan J. (2020). "A Review on Fundamentals for Designing Oxygen Evolution Electrocatalysts". Chemical Society Reviews. 49 (7): 2196–2214. doi:10.1039/C9CS00607A. hdl:10356/153346. PMID 32133479. S2CID 212416753.
Enlaces externos
- Fisiología vegetal en línea, 4a edición: Tema 7.7 - Evolución del oxígeno
- Evolución del oxígeno - Notas de conferencias de Antony Crofts, UIUC
- Evolución de la atmósfera – Notas de conferencias, Regentes de la Universidad de Michigan
- Cómo hacer oxígeno e hidrógeno del agua usando electrolisis