5.1: Introducción a la Reducción de Nitrógeno

Última actualización
Guardar como PDF

Page ID: 79227

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)\(\newcommand{\AA}{\unicode[.8,0]{x212B}}\)

El nitrógeno es el elemento más abundante en la atmósfera terrestre. Conforma alrededor del 80% del aire que nos rodea. También es un componente clave de las biomoléculas. El nitrógeno aporta una parte crucial de los aminoácidos, que a su vez componen las proteínas, que son la maquinaria de la célula. El nitrógeno también proporciona una parte crucial del ADN, que transmite nuestro código genético y gobierna la expresión de esas proteínas. Aunque son menos conocidos, muchos productos naturales que contienen nitrógeno, como los alcaloides, juegan un papel importante en la biología.

Obtener ese nitrógeno del aire y entrar en la celda es una tarea herculea. El nitrógeno en el aire está presente en su forma elemental, que es nitrógeno diatómico o dinitrógeno, N ₂. El nitrógeno en las biomoléculas siempre se encuentra individualmente; siempre está unido a otros átomos, especialmente carbono e hidrógeno, pero nunca a otros nitrógenos. Eso significa que los dos átomos de nitrógeno en el átomo de dinitrógeno tienen que ser separados para que puedan combinarse con otros átomos en estas moléculas útiles. Eso es un problema. N ₂ es excepcionalmente estable. Romper el enlace entre los dos átomos de nitrógeno cuesta alrededor de 225 kcal/mol. La mayoría de los otros vínculos en el universo no son tan fuertes.

Entonces, ¿cómo rompemos ese enlace increíblemente fuerte y lo combinamos con otros átomos para hacer moléculas? Durante la mayor parte de nuestra historia, no lo hicimos (siendo personas). Tampoco otros animales. Tampoco las plantas. Sin embargo, los microbios podrían hacerlo todo el tiempo.

Ciertas bacterias, llamadas diazótrofos, contienen una enzima llamada nitrogenasa que puede convertir catalíticamente el dinitrógeno en amoníaco. Algunos diazótrofos, llamados rizobacterias, tienen una relación simbiótica con tipos específicos de raíces de plantas. Aportan amoníaco o aminoácidos a la planta y la planta les proporciona compuestos orgánicos como el malato que pueden metabolizarse para obtener energía.

\[\ce{N2 + 6H^{+} + 6 e^{-} -> 2NH3} \nonumber\]

Todas las plantas necesitan nitrógeno para crecer, pero al evolucionar para tener esta relación simbiótica con las rizobacterias, las leguminosas han encontrado una clara ventaja sobre otras.

Otras bacterias en realidad viven del amoníaco. Lo usan para el metabolismo de la manera en que otros organismos usan los carbohidratos. Al hacerlo, oxidan el amoníaco a nitritos de la manera en que otros organismos oxidan los carbohidratos a dióxido de carbono.

\[\ce{NH3 + O2 -> NO2^{-} + 3H^{+} + 2e^{-}} \nonumber\]

Incluso hay bacterias que oxidan los nitritos.

\[\ce{2No2^{-} + O2 -> 2NO3^{-}} \nonumber\]

Ejercicio\(\PageIndex{1}\)

Calcular el estado de oxidación del nitrógeno en cada uno de los siguientes compuestos.

a) N ₂ b) NH ₃ c) NH ₄ ⁺ d) NO ₂ ^- e) NO ₃ ^-

Contestar a: a) 0
Respuesta b: b) 3-
Respuesta c: c) 3-
Respuesta d: d) 3+
Respuesta e: e) 5+

Ejercicio\(\PageIndex{2}\)

La oxidación del nitrito debe implicar transferencia de electrones. Identificar:

el oxidante
el reductor
el número de electrones transferidos del reductor al oxidante

Contestar a: a) O ₂
Respuesta b: b) NO ₂ ^-
Respuesta c: c) 2 e ^-

Todos estos compuestos —amoníaco, nitritos y nitratos— pueden ser utilizados por las plantas como fuentes de nitrógeno. Las personas, que han estado cultivando durante miles de años, han desarrollado una serie de métodos para asegurarse de que sus cultivos tuvieran muchos de estos nutrientes disponibles. Hay historias familiares de diferentes grupos nativos americanos que plantan maíz y calabaza junto con frijoles cultivadores de rizobacteres. En Sudamérica, los agricultores andinos recolectaron guano para sus campos.

A principios del siglo XX, se dio un gran salto adelante con el descubrimiento de que el amoníaco podría fabricarse directamente a partir del nitrógeno a escala masiva. Esta tecnología, llamada proceso Haber-Bosch, es responsable de una porción significativa del nitrógeno que se encuentra en los alimentos.

El enfoque de este capítulo está en los procesos que han permitido la escisión del enlace nitrogenado, tanto por medios biológicos como industirales.

Consulte la sección sobre nitrogenasa en Bioquímica Online de Henry Jakubowski.