Universidad autónoma de Yucatán Facultad de Ingeniería Química
Química Industrial 2° semestre Química inorgánica I
Lizbeth Alejandra Fernández Martínez Ciclos del carbono e Hidrógeno
Ciclo del Carbono Ciclo del carbono: es un componente esencial para los vegetales y animales. Forman parte de compuestos como: la glucosa, carbohidrato importantes para la realización de procesos como: la respiración; también interviene en la fotosíntesis bajo la forma de CO2 (dióxido de carbono) tal como se encuentra en la atmósfera. La reserva fundamental de carbono, en moléculas de CO 2 que los seres vivos puedan asimilar, es la atmósfera y la hidrosfera. Este gas está en la atmósfera en una concentración de más del 0,03% y cada año aproximadamente un 5% de estas reservas de CO 2 se consumen en los procesos de fotosíntesis, es decir que todo el anhídrido carbónico se renueva en la atmósfera cada 20 años. La vuelta de CO2 a la atmósfera se hace cuando en la respiración, los seres vivos oxidan los alimentos produciendo CO2. En el conjunto de la biosfera la mayor parte de la respiración la hacen las raíces de las plantas y los organismos del suelo y no, como podría parecer, los animales más visibles. Los productos finales de la combustión son CO 2 y vapor de agua. El equilibrio en la producción y consumo de cada uno de ellos por medio de la fotosíntesis hace posible la vida. Los vegetales verdes que contienen clorofila toman el CO 2 del aire y durante la fotosíntesis liberan oxígeno, además producen el material nutritivo indispensable para los seres vivos. Como todas las plantas verdes de la tierra ejecutan ese mismo proceso diariamente, no es posible siquiera imaginar la cantidad de CO 2 empleada en la fotosíntesis. En la medida de que el CO 2 es consumido por las plantas, también es remplazado por medio de la respiración de los seres vivos, por la descomposición de la materia orgánica y como producto final de combustión del petróleo, hulla, gasolina, etc. En el ciclo del carbono participan los seres vivos y muchos fenómenos naturales como los incendios. Los seres vivos acuáticos toman el CO 2 del agua. La solubilidad de este gas en el agua es muy superior a la que tiene en el aire.
Ciclo del Hidrógeno El uso de energía solar para nuestras necesidades eléctricas cotidianas tiene distintas ventajas: evitamos el consumo de recursos naturales y la degradación del medio ambiente que resulta de las emisiones contaminantes, derrames de petróleo, y los productos tóxicos secundarios. El uso de recursos renovables permite que los E.U.A. se independicen de los países política y socialmente inestables, que actualmente son los que proveen el 50% de nuestro petróleo. Además, una economía basada en el hidrógeno solar podría proteger a nuestro país contra los efectos negativos de los cambios dramáticos en el abastecimiento y el precio de la energía. Sin embargo, hay una desventaja en la energía solar: el sol no brilla constantemente. Necesitamos, pues, un método para almacenar la energía solar para utilizarla cuando no haya sol. El hidrógeno provee un método seguro, eficiente y sano para hacerlo. El ciclo del hidrógeno solar funciona así: la electricidad producida por los módulos solares opera un equipo de electrólisis que divide el agua (H 2O) en sus componentes elementales, hidrógeno (H 2) y oxígeno (O2). El oxígeno se libera al aire y el hidrógeno se bombea a los tanques, donde es almacenado en el lugar de producción o se envía a las regiones donde el sol escasea. En la noche, cuando no se dispone de energía solar, el hidrógeno se combina nuevamente con el oxígeno del aire en una celda de combustible, una planta de energía electroquímica que convierte en electricidad la energía química contenida en el hidrógeno. El único subproducto que resulta de este proceso es agua pura. La electricidad producida por las celdas de combustible se puede usar exactamente como utilizamos la energía ya generada por las compañías de electricidad para operar los electrodomésticos y las luces, incluso para impulsar los carros. El hidrógeno solar nos permite utilizar la energía solar las 24 horas del día, y nos provee de un recurso energético abundante, sano, eficiente y producido localmente.
Ciclo del oxigeno El ciclo del oxígeno es complejo, una vez que ese elemento es utilizado y liberado por los seres vivos en diferentes formas de combinación química. El principal reservorio de oxigeno para los seres vivos es la atmósfera, donde ese elemento se encuentra en la forma de gas oxigeno (O2) y de gas carbono (CO2). El CO2 es utilizado en la respiración aeróbica de las plantas y animales. En este proceso, átomos de oxigeno se combinan con átomos de hidrógeno, formando moléculas de agua. El agua formada en la respiración, llamada como agua metabólica es, en parte eliminada para el ambiente a través de la transpiración, de excreción y de heces y en parte utilizada en procesos metabólicos. De esa forma, sus átomos de oxígeno acaban incorporados a la materia orgánica y pueden volver a la atmósfera por la respiración y por la descomposición del organismo, que producen agua y gas carbono. El CO2 atmosférico es utilizado en el proceso de fotosíntesis. Los carbonos y los oxigenados presentes en el gas carbono pasan a formar parte de la materia orgánica del vegetal y tanto la respiración como la descomposición de esa materia orgánica restituirán el oxígeno a la atmósfera en forma de agua y gas carbono. El agua utilizada por las plantas en la fotosíntesis es rota y sus átomos de oxigeno son liberados para la atmósfera en la forma de O2.
Las tres principales fuentes no vivas de átomos de oxigeno para los seres vivos son por tanto, gas, oxígeno (O2), gas carbono (CO2) y agua (H2O). Esos tres tipos de moléculas están constantemente intercambiando átomos de oxigeno entre sí, durante los procesos metabólicos de la biosfera. La biosfera comprende las porciones de tierra, mar y aguas continentales habitadas por los seres vivos. No coincide con la atmósfera, la litósfera o la hidrosfera aisladamente pues abarca a las tres. El oxígeno puede ser encontrado en la atmósfera bajo varias formas. Sea en la forma de oxigeno molecular (O2) o en composición con otros elementos (CO2, NO2, SO2, etc.) el hecho es que el oxigeno es el elemento más abundante en la corteza terrestre y en los océanos (99,5% del oxigeno está contenido allí) y el segundo más abundante en la atmósfera (0,49% del oxígeno existente está en la atmósfera, los otros 0.01% están contenidos en los seres vivos). El ciclo de transformaciones del oxígeno por estos reservorios (atmósfera, océano y corteza terrestre) constituye el llamado ciclo del oxígeno que es mantenido por procesos biológicos, físicos, geológicos e hidrológicos. La principal forma de producción del oxígeno es la fotosíntesis realizada por todas las plantas clorofilazas y algunas algas. La fotosíntesis es un proceso por el cual las plantas transforman agua y gas carbono en la presencia de luz y la clorofila en compuestos orgánicos bastante más energéticos que el oxígeno. Luz 6H2O + 6CO2 ±> 6O2 + C6H12O6 Clorofila Más allá que las plantas consuman parte de este oxígeno en su propia respiración, la gran cantidad producida por la fotosíntesis puede ser 30 veces mayor que la consumida. Este fue uno de los factores que posibilitó el surgimiento de todas las formas de vida que tenemos hoy en el planeta y el principal repositor de oxígeno para la atmósfera. Otra forma de producción de oxígeno es la fotólisis: Reacción por la cual la radiación ultravioleta que entra en la atmósfera descompone el agua atmosférica en óxido de nitrógeno. 2H2O + energía ±> 4H + O2
El principal medio de consumo de oxígeno en el ciclo de carbono es por medio de la respiración de los seres vivos. Las plantas utilizarán el oxígeno para realizar la fotosíntesis como ya fue referido y los animales lo utilizarán en su metabolismo. {CH2O} + O2 ±> CO2 + H2O Otra forma de consumo del oxígeno es a descomposición de la materia orgánica y la oxidación de minerales en exposición. Un ejemplo de oxidación es la herrumbre.
Ciclo del nitrógeno Los organismos emplean el nitrógeno en la síntesis de proteínas, ácidos nucleicos (ADN y ARN) y otras moléculas fundamentales del metabolismo. Su reserva fundamental es la atmósfera, en donde se encuentra en forma de N2, pero esta molécula no puede ser utilizada directamente por la mayoría de los seres vivos (exceptuando algunas bacterias). Esas bacterias y algas cianofíceas que pueden usar el N2 del aire juegan un papel muy importante en el ciclo de este elemento al hacer la fijación del nitrógeno. De esta forma convierten el N2 en otras formas químicas (nitratos y amonio) asimilables por las plantas. +
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El amonio (NH4 ) y el nitrato (NO3 ) lo pueden tomar las plantas por las raíces y usarlo en su metabolismo. Usan esos átomos de N para la síntesis de las proteínas y ácidos nucleicos. Los animales obtienen su nitrógeno al co mer a las plantas o a otros animales. En el metabolismo de los compuestos nitrogenados en los animales acaba formándose ión amonio que es muy tóxico y debe ser eliminado. Esta eliminación se hace en forma de amoniaco (algunos peces y organismos acuáticos), o en forma de urea (el hombre y otros mamíferos) o en forma de ácido úrico (aves y otros animales de zonas secas). Estos compuestos van a la tierra o al agua de donde pueden tomarlos de nuevo las plantas o ser usados por algunas bacterias. Algunas bacterias convierten amoniaco en nitrito y otras transforman este en nitrato. Una de estas bacterias (Rhizobium) se aloja en nódulos de las raíces de las leguminosas (alfalfa,
alubia, etc.) y por eso esta clase de plantas son tan interesantes para hacer un abonado natural de los suelos. Donde existe un exceso de materia orgánica en el mantillo, en condiciones anaerobias, hay otras bacterias que producen desnitrificación, convirtiendo los compuestos de N en N2, lo que hace que se pierda de nuevo nitrógeno del ecosistema a la atmósfera. A pesar de este ciclo, el N suele ser uno de los elementos que escasean y que es factor limitante de la productividad de muchos ecosistemas. Tradicionalmente se han abonado los suelos con nitratos para mejorar los rendimientos agrícolas. Durante muchos años se usaron productos naturales ricos en nitrógeno como el guano o el nitrato de Chile. Desde que se consiguió la síntesis artificial de amoniaco por el proceso Haber fue posible fabricar abonos nitrogenados que se emplean actualmente en grandes cantidades en la agricultura. Como veremos su mal uso produce, a veces, problemas de contaminación en las aguas: la eutrofización.