Conversión química y biológica de la energía luminosa: fotoproducción de peróxido de hidrógeno.

• Autores: Mercedes Roncel Gil
• Directores de la Tesis: Miguel Ángel de la Rosa Acosta (dir. tes.)
• Lectura: En la Universidad de Sevilla ( España ) en 1988
• Idioma: español
• Número de páginas: 201
• Tribunal Calificador de la Tesis: Francisco Sánchez Burgos (presid.), Miguel García Guerrero (secret.), Francisca Fernández del Campo González (voc.), Pedro Aparicio Alonso (voc.), José Antonio Navío (voc.)
• Materias:
  • Física
    • Química física
      • Fotoquímica
  • Química
    • Bioquímica
      • Fotosíntesis
• Enlaces
  • Tesis en acceso abierto en: Idus
• Resumen

  • Todas las formas de vida hasta ahora conocidas en nuestro planeta requieren energía para su crecimiento y conservación. Las plantas superiores y algunos tipos de algas y bacterias obtienen energía directamente de la radiación solar, que utilizan para sintetizar aquel las sustancias esenciales para su propio conocimiento y desarrollo. Los animales, en cambio, no pueden utilizar la luz solar como fuente de energía y satisfacen sus requerimientos energéticos alimentándose de plantas u otros animales que, a su vez, se alimentan de organismos vegetales. En definitiva, pues, la fuente última de energía metabólica en nuestro planeta resulta ser el Sol.Pero el hombre consume además una gran cantidad de combustibles, necesarios para satisfacer toda una seria de requerimientos energéticos, tales como el carbón, el gas natural y el petróleo, todos ellos combustibles fósiles -productos de la dsscomposición de plantas y animales, terrestres y marinos- cuya energía fue capturada y almacenada hace millones de años a partir de la radiación procedente del Sol. La energía solar es asimismo responsable de la formación del viento y de la lluvia; en consecuencia, también las energías eólica e hidroeléctrica pueden relacionarse directamente con el Sol.La energía del Sol procede de la fusión de cuatro nucleas de hidrógeno para formar un núcleo de helio, siendo la energía liberada en el proceso la que permite mantener la superficie solar a una temperatura constante de unos 6000 K. A esa temperatura el Sol se comporta como un cuerpo negro emisor de radiación en una amplia franja del espectro electromagnético, si bien la atmósfera terrestre sólo es transparente a la luz visible y a parte de la luz infrarroja y ultravioleta.La fotoquímica es la ciencia de los efectos químicos de la luz, en donde la palabra luz comprende precisamente las regiones de la radiación infrarroja (IR9, visible y ultravioleta (UV). De la primera interesa, en especial, la más próxima al visible, que es la que puede poseer suficiente energía; de la última quizá se excluya el UV lejano, que para algunas moléculas puede resultar excesivamente energético. Así pues, desde el punto de vista fotoquímico interesa la gama de longitudes de onda entre 100 y 1000 nm, aproximadamente. La energía de estas radiaciones oscila entre 1 y 10 eV -esto es, entre 100 y 1000 kJ mol-1, precisamente el intervalo en el que se encuentran las energías de los enlaces químicos. El interés del químico por una molécula excitada por la luz comienza a veces exactamente en el punto en que termina el interés del físico. Más allá de la espectroscopía reside el campo vasto, complejo y vitalmente importante de la fotoquímica. La vida, como la conocemos, se basa en la utilización de la energía solar por procesos de fotosíntesis, pero a pesar de largos y dedicados esfuerzos de muchos hombres de ciencia, los mecanismos de la fotosíntesis están lejos de ser bien comprendidos.La fotoquímica es hoy día un tema seguido con entusiasmo por aquellos que han descubierto que por medio de la luz pueden obtenerse síntesis y reagrupamientos complicados, lo cual sería imposible o difícil por las reacciones térmicas ordinarias, haciendo que esta técnica esté alcanzando cada vez mayor importancia. Numerosas reacciones naturales son fotoquímicas, como la función clorofílica, la formación de ozono en las capas superiores de la atmósfera o la acción bactericida de la luz solar, así como las reacciones químicas que tienen lugar en la retina y que constituyen el mecanismo de la visión. Las aplicaciones de las reacciones fotoquímicas a la industria química preparativa son variadas; en la actualidad constituyen un campo de investigación muy activo, por su potencial interés económico y científico (Moore, 1977).Como se ha dicho anteriormente, la luz es la fuente de energía de la que dependen las plantas y los demás organismos vivos. La radiación debe ser absorbida por una sustancia química para que produzca algún efecto. El subsiguiente comportamiento de la sustancia química después de absorber la luz determinará su uso por la planta. Las sustancias absorbentes (pigmento) son moléculas que contienen un grupo cromóforo responsable de sus colores. Un compuesto aparece coloreado porque absorbe sólo algunas de las longitudes de onda de la luz blanca (Whatley y Whatley, 1980).Todos los organismos fotosintéticos contienen uno o más pigmentos orgánicos capaces de absorber la radiación visible, la cual iniciará las reacciones fotoquímicas de la fotosíntesis. La absorción de luz por los pigmentos naturales de la fotosíntesis y por los utilizados en reacciones puramente químicas pueden ser tratados, por tanto, desde el mismo punto de vista.Los estados más estables de las moléculas son aquellos en los que los electrones de valencia están distribuidos, de acuerdo con el principio de Pauli, en los niveles cuánticos de menor energía. En condiciones normales, las moléculas se encuentran en su estado electrónico fundamental y para pasar a un estado excitado determinado necesitan una cierta cantidad de energía suministrada por una radiación electromagnética de frecuencia (v) tal que la energía de los fotones (h v) sea igual a la diferencia de energía entre los dos estados (?E), de acuerdo con la regla de la frecuencia de Bohr.De esta forma, la radiación electromagnética puede interaccionar con las moléculas dando lugar a la abosrción de energía en forma cuantizada, que es liberada en reacciones posteriores por la molécula excitada. De hecho, la molécula excitada es inestable y, por tanto, debe desactivarse, lo que puede hacer bien pro choques con otra y otras moléculas (desactivación bimolecular) en los que puede o no sufrir reacción química (procesos fotoquímicos), o bien, antes de chocar, puede sufrir un proceso unimolecular de desactivación por diversos mecanismos que reciben el nombre de procesos fotofísicos.Desde el punto de vista fotoquímico son interesantes aquellos procesos en los que, al absorber la radiación electromágnetica, la molécula pasa inicialmente a un estado de singlete excitado a partir del cual pierde parte de la energía de excitación en un primer proceso de relajación vibracional no radiactivo y, a continuación, en un proceso isoenergético de cruce intersistémico (CIS) llega a un estado triplete excitado -también llamado estado metaestable- con una vida media mucho más larga que el singlete.Así, las especies excitadas de la molécula fotorreceptora, ante de desactivarse por un mecanismo fotofísico, pueden sufrir una reacciones química, ya que poseen un exceso energético y deben considerarse, desde el punto de vista cinetoquímico, como especies activadas. La reacción química es un proceso más en competición con los procesos fotofísicos. Cuál o cuáles de ellos predominará va a depender de las respectivas constantes de velocidad. La configuración electrónica de la molécula fotoexcitada difiere de la del estado basal en que un electrón -concretamente uno de los electrones alojados en los orbitales externos, denominados electrones de valencia- ha sido promovido desde un orbital ocupado (con dos electrones) a otro superior, o más energético, que se encontraba vacío. Es decir, la molécula fotoexcitada presenta dos orbitales semillenos (cada uno con un electrón), siendo sus propiedades de -oxido-reducción diferentes en gran medida de las del estado fundamental (Almgrem et al., 1977).