evolución del oxígeno

La evolución del oxígeno es el proceso químico de generación de oxígeno diatómico (O₂ ₎ mediante una reacción química , generalmente a partir del agua , el compuesto de óxido más abundante en el universo . En la Tierra , la evolución del oxígeno se produce por fotosíntesis oxigénica biótica , fotodisociación , hidroelectrólisis y descomposición térmica de diversos óxidos y oxoácidos . Cuando se requiere oxígeno relativamente puro a nivel industrial, se aísla mediante la destilación de aire licuado. ^[¹^]

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 terrestre , sino que también han alterado significativamente la química atmosférica . La transición de la atmósfera terrestre de una atmósfera reductora prebiótica anóxica con alto contenido de metano y sulfuro de hidrógeno a una atmósfera oxidativa de la cual el nitrógeno y el oxígeno libres constituyen el 99% de las fracciones molares , ha dado lugar a importantes cambios climáticos y ha causado numerosos fenómenos glaciales y glaciaciones globales .

En la industria , la reacción de evolución de oxígeno (OER) 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 la mejora de la electrocatálisis de la OER es clave para el avance de varias tecnologías de energía renovable, como los combustibles solares , las pilas 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 oxígeno en la biosfera terrestre . Esta reacción forma parte de las reacciones fotosintéticas dependientes de la luz 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 , presente en el fotosistema II , conocido como complejo generador de oxígeno (OEC) o complejo de división del agua. El manganeso es un cofactor importante , y el calcio y el cloruro también son necesarios 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 , contribuyendo así a la generación de un gradiente de protones a través de la membrana tilacoide. Este gradiente de protones es la fuerza impulsora para la síntesis de adenosín trifosfato (ATP) mediante fotofosforilación y el acoplamiento de la absorción de energía lumínica 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 que Joseph Priestley descubrió accidentalmente la capacidad de las plantas para "restaurar" el aire que había sido "dañado" por la combustión de una vela. Continuó el experimento demostrando que el aire "restaurado" por la vegetación "no resultaba en absoluto molesto para un ratón ". Posteriormente, fue galardonado con una medalla por sus descubrimientos de que "...ninguna planta crece en vano... sino que limpia y purifica nuestra atmósfera". Los experimentos de Priestley fueron evaluados posteriormente por Jan Ingenhousz , un médico holandés, quien 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 (H₂ ₎ , el oxígeno se produce por 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 evolución de oxígeno (OER) es el principal cuello de botella [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:

2 H ⁺ + 2e ⁻ → H ₂

En el ánodo, que tiene carga positiva, se produce una reacción de oxidación que genera oxígeno gaseoso y libera electrones hacia el ánodo para completar el circuito:

2 H ₂ O → O ₂ + 4 H ⁺ + 4e ⁻

La combinación de cualquiera de los pares de semirreacciones produce la misma descomposición global del agua en oxígeno e hidrógeno:

Reacción general:

2 H ₂ O → 2 H ₂ + O ₂

Generación química de oxígeno

Aunque algunos óxidos metálicos liberan O₂ _al calentarse, estas conversiones generalmente requieren altas temperaturas. Algunos compuestos liberan O₂ _a temperaturas moderadas. Los generadores químicos de oxígeno consisten en compuestos químicos que liberan O₂ _al ser estimulados, generalmente por calor. Se utilizan en submarinos y aeronaves comerciales para proporcionar oxígeno de emergencia. El oxígeno se genera mediante la descomposición a alta temperatura del clorato de sodio : ^{[ 1 ]}

2 NaClO ₃ → 2 NaCl + 3 O ₂

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

1 2 Greenwood, Norman N .; Earnshaw, Alan (1997). Química de los elementos (2.ª ed.). Butterworth-Heinemann. doi : 10.1016/C2009-0-30414-6 . 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 (eds.). Sustentando la vida en el planeta Tierra: Metaloenzimas que dominan el dioxígeno y otros gases masticables . Iones metálicos en ciencias de la vida. Vol. 15. Springer. pp. 13–43 . doi : 10.1007/978-3-319-12415-5_2 . ISBN 978-3-319-12414-8. PMC 4688042 . PMID 25707465 .
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Enlaces externos

Fisiología Vegetal en línea, 4.ª edición: Tema 7.7 - Evolución del oxígeno. Archivado el 28/09/2007 en Wayback Machine.
Evolución del oxígeno. Archivado el 9 de mayo de 2008 en Wayback Machine . Apuntes de clase de Antony Crofts, UIUC.
Evolución de la atmósfera. Archivado el 29 de marzo de 2007 en Wayback Machine . Apuntes de clase, Regentes de la Universidad de Michigan.
Cómo producir oxígeno e hidrógeno a partir del agua mediante electrólisis.

[G&E-1] 1 2 Greenwood, Norman N .; Earnshaw, Alan (1997). Química de los elementos (2.ª ed.). Butterworth-Heinemann. doi : 10.1016/C2009-0-30414-6 . ISBN 978-0-08-037941-8.

[2] 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 (eds.). Sustentando la vida en el planeta Tierra: Metaloenzimas que dominan el dioxígeno y otros gases masticables . Iones metálicos en ciencias de la vida. Vol. 15. Springer. pp. 13–43 . doi : 10.1007/978-3-319-12415-5_2 . ISBN 978-3-319-12414-8. PMC 4688042 . PMID 25707465 .

[3] Greife, Paul; Schönborn, Matthias; Capone, Matteo; Assunção, Ricardo; Narzi, Daniele; Guidoni, Leonardo; Dau, Holger (2023). "El cuello de botella electrón-protón de la evolución fotosintética del oxígeno" . Nature . 617 ( 7961): 623– 628. Bibcode : 2023Natur.617..623G . doi : 10.1038/s41586-023-06008-5 . PMC 10191853. PMID 37138082 .

[Raven-4] 1 2 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-5] Raval M, Biswal B, Biswal U (2005). "El misterio de la evolución del oxígeno: análisis de la estructura y función del fotosistema II, la oxidorreductasa de agua-plastoquinona". Photosynthesis Research . 85 (3): 267– 93. Bibcode : 2005PhoRe..85..267R . doi : 10.1007/s11120-005-8163-4 . PMID 16170631 . S2CID 12893308 .

[6] 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 .

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