La reacción del magnesio metálico con el oxígeno, implica la oxidación del magnesio
Dado que el sólido de magnesio se oxida, esperamos ver una pérdida de electrones. De igual manera, dado que el oxígeno por lo tanto debe reducirse, deberíamos ver una ganancia de electrones.
A medida que el magnesio se oxida hay una pérdida de 2 electrones mientras que simultáneamente, el oxígeno gana esos dos electrones. Otro ejemplo de una reacción redox es con los dos gases CO 2 y H 2 . Esta reacción redox también demuestra la importancia de implementar “números de oxidación” en la metodología de las reacciones redox, permitiendo determinar qué reactivo se está reduciendo y qué reactivo se está oxidando.
Ejemplo 2
La reacción del gas dióxido de carbono con gas hidrógeno, implicando la oxidación del hidrógeno
\[CO_2 (g) + H_2 (g) → 2CO (g) + H_2O (g) \label{3}\]
Dado que el gas hidrógeno está siendo oxidado (reductor), esperamos ver una pérdida global de electrones para la molécula resultante. De igual manera, esperamos ver una ganancia en el número total de electrones para la molécula resultante del oxidante (CO 2 ).
Aquí es posible inferir que el carbono del CO 2 se está reduciendo mediante la revisión de su número único de oxidación. De tal manera que, C (de CO 2 ) pasa de un número de oxidación de +4 a C (de CO) que tiene un número de oxidación de +2, lo que representa una pérdida de dos electrones. De igual manera, se señala que H 2 va de un número de oxidación de 0 a +1, o ganando un electrón en un proceso de reducción. Para obtener más información sobre los números de oxidación, revise el siguiente enlace: Reacciones de Oxidación-Reducción
Un modelo biológico básico
El flujo de electrones es un proceso vital que proporciona la energía necesaria para la supervivencia de todos los organismos. La principal fuente de energía que impulsa el flujo de electrones en casi todos estos organismos es la energía radiante del sol, en forma de radiación electromagnética o Luz. A través de una serie de reacciones nucleares, el sol es capaz de generar energía térmica (que podemos sentir como calor) a partir de la radiación electromagnética (que percibimos como luz). Sin embargo, la longitud de onda particular del espectro electromagnético que somos capaces de detectar con el ojo humano es solo entre 400 y 700 nm de longitud de onda. Por lo tanto, hay que señalar que la parte visible del espectro electromagnético es en realidad un pequeño porcentaje del conjunto; donde un porcentaje mucho mayor permanece indetectable para el ojo humano.
Figura 1: El espectro electromagnético con énfasis en la región de luz visible En física, el uso del término “luz” se refiere a la radiación electromagnética de cualquier longitud de onda, independientemente de su detectabilidad para el ojo humano. Para las plantas, los extremos superior e inferior del espectro visible son las longitudes de onda que ayudan a impulsar el proceso de división del agua (H 2 O) durante la fotosíntesis, para liberar sus electrones para la reducción biológica del dióxido de carbono (CO 2 ) y la liberación de oxígeno diatómico (O 2 ) a la atmósfera. Es a través del proceso de fotosíntesis que las plantas son capaces de utilizar la energía de la luz para convertir el dióxido de carbono y el agua en la forma de almacenamiento de energía química llamada glucosa.
Las plantas representan uno de los ejemplos más básicos de oxidación y reducción biológica. La conversión química de dióxido de carbono y agua en azúcar (glucosa) y oxígeno es un proceso de reducción impulsado por la luz:
\[ 6CO_2 + 6H_2O \rightarrow C_6H_{12}O_6 + 6O_2 \label{5} \]
El proceso por el cual los organismos y células no fotosintéticos obtienen energía, es a través del consumo de los productos ricos en energía de la fotosíntesis. Al oxidar estos productos, los electrones pasan a lo largo para hacer que los productos sean dióxido de carbono, y agua, en un proceso de reciclaje ambiental. El proceso de oxidar la glucosa y el oxígeno atmosférico permitió capturar energía para su uso por el organismo que consume estos productos de la planta. La siguiente reacción representa este proceso:
\[ C_6H_{12}O_6 + O_2 \rightarrow 6CO_2 + 6H_2O +Energy \label{6}\]
Por lo tanto, es a través de este proceso que los heterótrofos (generalmente los “animales” que consumen otros organismos obtienen energía) y los autótrofos (plantas capaces de producir su propia energía) participan en un ciclo ambiental de intercambio de dióxido de carbono y agua para producir energía que contiene glucosa para oxidación orgánica y producción de energía, y posteriormente permitiendo la regeneración de los subproductos dióxido de carbono y agua, para comenzar de nuevo el ciclo. Por lo tanto, a estos dos grupos de organismos se les ha permitido divergir de manera interdependiente a través de este ciclo de vida natural.
Comprensión de la Química Física
Las reacciones biológicas de oxidación-reducción, o simplemente las oxidaciones biológicas utilizan múltiples etapas o procesos de oxidación para producir grandes cantidades de energía de Gibbs , que se utiliza para sintetizar la unidad de energía llamada adenosina trifosfato o ATP. Para producir ATP de manera eficiente, el proceso de glucólisis debe estar cerca de una abundancia de oxígeno. Dado que la glucólisis por naturaleza no es un proceso eficiente, si carece de suficientes cantidades de oxígeno el producto final piruvato, se reduce a lactato con NADH como agente reductor. Sin embargo, en un proceso aeróbico más favorable, la degradación de la glucosa a través de la glucólisis procede con dos procesos adicionales conocidos como el ciclo del ácido cítrico y la cadena respiratoria terminal; produciendo los productos finales dióxido de carbono y agua, que exhalamos con cada respiración.
Figura 2: Los tres procesos principales para la descomposición de la glucosa en dióxido de carbono y agua Los productos NADH y FADH 2 formados durante la glucólisis y el ciclo del ácido cítrico son capaces de reducir el oxígeno molecular (O 2 ) liberando así grandes cantidades de energía Gibbs utilizada para producir ATP. El proceso por el cual los electrones son transferidos de NADH o FADH 2 a O 2 por una serie de portadores de transferencia de electrones, se conoce como fosforilación oxidativa . Es a través de este proceso que el ATP es capaz de formarse como resultado de la transferencia de electrones.
Los ejemplos específicos de reacciones redox que se utilizan en procesos biológicos, que implican la transferencia de electrones e iones hidrógeno de la siguiente manera. Durante algunas reacciones de oxidación biológica, se produce una transferencia simultánea de iones de hidrógeno con electrones (1). En otros casos, los iones hidrógeno pueden perderse por la sustancia que se oxida mientras se transfieren solo sus electrones a la sustancia que se está reduciendo (2). Un tercer tipo de oxidación biológica podría implicar sólo una transferencia de electrones (3). Cabe señalar que la oxidación biológica rara vez se produce de manera directa, y generalmente involucra mecanismos complejos de varias enzimas. El siguiente esquema recapitula los tres procesos de oxidación biológica señalados anteriormente, en orden descendente.
Cuadro 1 : Transferencia de iones hidrógeno y electrones para el esquema general de reacción de A + B con etapa intermedia mostrada
Reactivos Etapa Intermedia Productos
AH 2 + B
[A + 2H + + 2e - + B]
A + BH 2
AH 2 + B
[A + 2H + + 2e - + B]
A + B 2 - + 2H +
A 2 - + B
[A + 2e - + B]
A + B 2-
En la última etapa del proceso metabólico (la cadena respiratoria terminal), la secuencia por la que se transportan los electrones está determinada por potenciales redox relativos. Las moléculas portadoras utilizadas para transferir electrones en esta etapa se denominan citocromos, que son una proteína portadora de electrones que contiene un grupo hemo. El átomo de hierro de cada molécula de citocromo puede existir ya sea en la forma oxidada (Fe 3 + ) o reducida (Fe 2 + ). Dentro de la cadena respiratoria terminal, cada molécula portadora alterna entre el estado reducido y el estado oxidado, con el oxígeno molecular como aceptor de electrones final al final.
Figura 3. La cadena de respiro terminal que muestra transporte de electrones y fosforilación. Los electrones del ciclo del ácido cítrico se transfieren de un portador a otro, donde cada portador alterna entre el estado reducido y oxidado. El oxígeno molecular representa el aceptor final de electrones. Es a través del conocimiento de los potenciales redox, que se puede ampliar aún más el conocimiento de los procesos biológicos. El potencial de reducción estándar se denota como E o ' y o ) denota condiciones de estado estándar, mientras que el símbolo superíndice adyacente (') denota la escala de pH de 7 para procesos bioquímicos.
Por lo tanto, es posible rastrear la transferencia de energía en las células de regreso al flujo fundamental de electrones de una molécula en particular a otra. Donde este flujo de electrones ocurre a través del principio físico de mayor potencial a menor potencial; similar a una bola rodando cuesta abajo, en oposición a la dirección opuesta. Todas estas reacciones que involucran flujo de electrones pueden atribuirse a la definición básica de la vía de oxidación-reducción señalada anteriormente.
Referencias
Chang, Raymond. QUÍMICA FÍSICA para las Ciencias Químicas y Biológicas . Sausalito, CA: Libros de Ciencias Universitarias, 373-389. Imprimir.
Nelson, David y Michael Cox. LEHNINGER PRINCIPIOS DE LA BIOQUÍMICA . Nueva York, NY: Freeman and Company, 22. Imprimir.
Colaboradores y Atribuciones
Brent Younglove (Esperanza)
