Ciclo del carbono en ecología

Ciclo del carbono en ecología

Ciclo del carbono

El carbono, vital para todos los seres vivos, circula de manera continua en el ecosistema terrestre. En la atmósfera existe en forma de dióxido de carbono, que emplean las plantas en la fotosíntesis. Los animales usan el carbono de las plantas y liberan dióxido de carbono, producto del metabolismo. Aunque parte del carbono desaparece de forma temporal del ciclo en forma de carbón, petróleo, combustibles fósiles, gas y depósitos calizos, la respiración y la fotosíntesis mantienen prácticamente estable la cantidad de carbono atmosférico. La industrialización aporta dióxido de carbono adicional al medio ambiente.

Ciclo del carbono (ecología), en ecología, ciclo de utilización del carbono por el que la energía fluye a través del ecosistema terrestre. El ciclo básico comienza cuando las plantas, a través de la fotosíntesis, hacen uso del dióxido de carbono (CO₂) presente en la atmósfera o disuelto en el agua. Parte de este carbono pasa a formar parte de los tejidos vegetales en forma de hidratos de carbono, grasas y proteínas; el resto es devuelto a la atmósfera o al agua mediante la respiración. Así, el carbono pasa a los herbívoros que comen las plantas y de ese modo utilizan, reorganizan y degradan los compuestos de carbono. Gran parte de éste es liberado en forma de CO₂ por la respiración, como producto secundario del metabolismo, pero parte se almacena en los tejidos animales y pasa a los carnívoros, que se alimentan de los herbívoros. En última instancia, todos los compuestos del carbono se degradan por descomposición, y el carbono es liberado en forma de CO₂, que es utilizado de nuevo por las plantas.

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INTERCAMBIOS AIRE-AGUA

A escala global, el ciclo del carbono implica un intercambio de CO₂ entre dos grandes reservas: la atmósfera y las aguas del planeta. El CO₂ atmosférico pasa al agua por difusión a través de la interfase aire-agua. Si la concentración de CO₂ en el agua es inferior a la de la atmósfera, éste se difunde en la primera, pero si la concentración de CO₂ es mayor en el agua que en la atmósfera, la primera libera CO₂ en la segunda. En los ecosistemas acuáticos se producen intercambios adicionales. El exceso de carbono puede combinarse con el agua para formar carbonatos y bicarbonatos. Los carbonatos pueden precipitar y depositarse en los sedimentos del fondo. Parte del carbono se incorpora a la biomasa (materia viva) de la vegetación forestal y puede permanecer fuera de circulación durante cientos de años. La descomposición incompleta de la materia orgánica en áreas húmedas tiene como resultado la acumulación de turba. Durante el periodo carbonífero este tipo de acumulación dio lugar a grandes depósitos de combustibles fósiles: carbón, petróleo y gas.

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RECURSOS TOTALES DE CARBONO

Los recursos totales de carbono, estimados en unas 49.000 gigatoneladas (1 gigatonelada es igual a 10⁹ toneladas), se distribuyen en formas orgánicas e inorgánicas. El carbón fósil representa un 22% del total. Los océanos contienen un 71% del carbono del planeta, fundamentalmente en forma de iones carbonato y bicarbonato. Un 3% adicional se encuentra en la materia orgánica muerta y el fitoplancton. Los ecosistemas terrestres, en los que los bosques constituyen la principal reserva, contienen cerca de un 3% del carbono total. El 1% restante se encuentra en la atmósfera, circulante, y es utilizado en la fotosíntesis.

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ADICIONES A LA ATMÓSFERA

Debido a la combustión de los combustibles fósiles, la destrucción de los bosques y otras prácticas similares, la cantidad de CO₂ atmosférico ha ido aumentando desde la Revolución Industrial. La concentración atmosférica ha aumentado de unas 260 a 300 partes por millón (ppm) estimadas en el periodo preindustrial, a más de 350 ppm en la actualidad. Este incremento representa sólo la mitad del dióxido de carbono que, se estima, se ha vertido a la atmósfera. El otro 50% probablemente haya sido absorbido y almacenado por los océanos. Aunque la vegetación del planeta puede absorber cantidades considerables de carbono, es también una fuente adicional de CO₂.

El CO₂ atmosférico actúa como un escudo sobre la Tierra. Es atravesado por las radiaciones de onda corta procedentes del espacio exterior, pero bloquea el escape de las radiaciones de onda larga. Dado que la contaminación atmosférica ha incrementado los niveles de CO₂ de la atmósfera, el escudo va engrosándose y retiene más calor, lo que hace que las temperaturas globales aumenten en un proceso conocido como efecto invernadero. Aunque el incremento aún no ha sido suficiente para destruir la variabilidad climática natural, el incremento previsto en la concentración de CO₂ atmosférico debido a la combustión de combustibles fósiles sugiere que las temperaturas globales podrían aumentar entre 2 y 6 °C a comienzos del siglo XXI. Este incremento sería suficientemente significativo para alterar el clima global y afectar al bienestar de la humanidad.

Dióxido de carbono

Dióxido de carbono

Dióxido de carbono, gas incoloro, inodoro y con un ligero sabor ácido, cuya molécula consiste en un átomo de carbono unido a dos átomos de oxígeno (CO₂). El químico escocés Joseph Black lo denominó 'aire fijo', y lo obtuvo a partir de la descomposición de la marga y la caliza, como parte de la composición química de esas sustancias. El químico francés Antoine Lavoisier lo identificó como un óxido de carbono al demostrar que el gas obtenido por la combustión del carbón de leña es idéntico en sus propiedades al 'aire fijo' obtenido por Black. El dióxido de carbono es 1,5 veces aproximadamente más denso que el aire. Es soluble en agua en una proporción de un 0,9 de volumen del gas por volumen de agua a 20 °C.

El dióxido de carbono se produce por diversos procesos: por combustión u oxidación de materiales que contienen carbono, como el carbón, la madera, el aceite o algunos alimentos; por la fermentación de azúcares, y por la descomposición de los carbonatos bajo la acción del calor o los ácidos. Comercialmente el dióxido de carbono se recupera de los gases de hornos de calcinación, de los procesos de fermentación, de la reacción de los carbonatos con los ácidos, y de la reacción del vapor con el gas natural, una fase de la producción comercial de amoníaco. El dióxido de carbono se purifica disolviéndolo en un solución concentrada de carbonato alcalino y luego calentando la disolución con vapor. El gas se recoge y se comprime en cilindros de acero.

La atmósfera contiene dióxido de carbono en cantidades variables, aunque normalmente es de 3 a 4 partes por 10.000, y aumenta un 0,4% al año. Es utilizado por las plantas verdes en el proceso conocido como fotosíntesis, por el cual se fabrican los carbohidratos, dentro del ciclo del carbono.

El dióxido de carbono se usa para fabricar carbonato de sodio, Na₂CO₃ · 1OH₂O (sosa para lavar), e hidrogenocarbonato de sodio, NaHCO₃ (bicarbonato de sodio). Disuelto bajo una presión de 2 a 5 atmósferas, el dióxido de carbono produce la efervescencia de las bebidas gaseosas. No arde ni sufre combustión, por lo que se emplea en extintores de fuego. El extintor de CO₂ es un cilindro de acero lleno de dióxido de carbono líquido que, cuando se libera, se expande repentinamente y produce una bajada de temperatura tan enorme que se solidifica en 'nieve' en polvo. Esta nieve se volatiliza (se evapora) al contacto con la sustancia en combustión, produciendo una capa de gas que enfría y mitiga la llama. El dióxido de carbono sólido, conocido como hielo seco, se usa mucho como refrigerante. Su capacidad para enfriar es casi el doble que la del hielo del agua; sus ventajas son que no pasa a líquido sino que se convierte en un gas, produciendo una atmósfera inerte que reduce el crecimiento de las bacterias.

La presencia de dióxido de carbono en la sangre estimula la respiración. Por esa razón se le añade dióxido de carbono al oxígeno o aire ordinario en la respiración artificial, y a los gases utilizados en la anestesia.

Compuesto organometálico

Compuesto organometálico

Compuesto organometálico, compuesto en el que los átomos de carbono forman enlaces covalentes (comparten electrones) con un átomo metálico. Los compuestos basados en cadenas y anillos de átomos de carbono se llaman orgánicos, y éste es el fundamento del nombre ‘organometálicos’. Este grupo incluye un elevado número de compuestos y algunos químicos lo consideran un grupo distinto al de los compuestos orgánicos e inorgánicos.

Entre los primeros compuestos organometálicos conocidos se encuentran los reactivos de Grignard, conocidos así por su descubridor, el químico francés Victor Grignard. Su fórmula es RMgX, donde R es un grupo orgánico alquilo y X es un halógeno. Un ejemplo es el bromuro de etilmagnesio, C₂H₅MgBr.

Los reactivos de Grignard se preparan por reacción de un haloalcano, como el bromoetano, con magnesio en éter. El enlace carbono-magnesio es muy polar, es decir, tiene muy separadas las regiones de carga positiva (sobre el magnesio) y negativa (sobre el carbono). El compuesto resultante reacciona como si tuviera iones R^-. Debido a su reactividad, los reactivos de Grignard son muy útiles para preparar una gran variedad de compuestos orgánicos.

En la década de 1950 se prepararon los primeros compuestos organometálicos que contenían metales de transición (véase Elementos de transición). Entre éstos se incluye un grupo de compuestos conocidos como ‘compuestos tipo sandwich’, en los que un átomo metálico se encuentra entre dos anillos orgánicos, a modo de sandwich. El más estable de todos ellos se llama ferroceno y posee un átomo de hierro entre dos anillos de ciclopentadieno. El hierro está como ion Fe²⁺ y cada uno de los anillos tiene una carga negativa.

En la actualidad se conoce una familia de compuestos similares, con una gran variedad de metales y anillos de distintos tamaños. Los compuestos organometálicos tienen aplicaciones muy variadas. Algunos ejemplos son:

• El tetraetilplomo, Pb(C₂H₅)₄, es un aditivo de las gasolinas que actúa como antidetonante.
• Los compuestos organolíticos y organoalumínicos se utilizan como catalizadores en reacciones de polimerización.
• El trietilaluminio, Al(C₂H₅)₃, forma parte del catalizador de Ziegler-Natta, que se utiliza, por ejemplo, para la producción de polietileno y polipropeno. Este catalizador hace posible la polimerización del etileno a una temperatura inferior a 50 °C y una presión inferior a 50 atmósferas, en contra de los 300 °C y las 2.000 atmósferas que se necesitarían en ausencia de catalizador.

Algunas moléculas de importancia biológica son organometálicas, por ejemplo:

• La clorofila, la molécula responsable de la absorción de luz en la fotosíntesis, posee un átomo de magnesio en el centro de una serie de anillos orgánicos.

• La hemoglobina, la molécula que transporta el oxígeno en la sangre, posee un sistema de anillos similar al de la clorofila, pero con un átomo de hierro. Cuatro de estos anillos hemo se unen a una proteína constituyendo la hemoglobina.
• La vitamina B₁₂ presenta un sistema cíclico similar, pero contiene cobalto metal. 

Compuesto de coordinación

Compuesto de coordinación

Compuesto de coordinación, compuesto en el que un átomo metálico o un ion positivo se encuentra rodeado de moléculas neutras o iones negativos formando enlaces con él. Estos compuestos se utilizan como catalizadores y suelen ser coloreados, por lo que se emplean como colorantes o tintes. Se les denomina también complejos.

En los compuestos de coordinación, el metal suele ser un metal de transición. Las moléculas neutras o iones negativos se denominan ligandos y forman enlaces con el metal a través de sus pares de electrones libres; estos enlaces son covalentes de tipo dativo (aquéllos en los que los dos electrones del enlace provienen de uno sólo de los átomos implicados en el enlace). Son ligandos habituales el amoníaco (NH₃), el agua (H₂O), los iones cloruro (Cl^-) y los iones hidróxido (OH^-). Los complejos pueden estar cargados positiva o negativamente, o también pueden ser neutros, dependiendo de la suma de las cargas del metal y los ligandos. El número de ligandos que rodean al metal recibe el nombre de número o índice de coordinación del complejo. Los números o índices de coordinación más habituales son 4 y 6. Los complejos tetracoordinados suelen ser cuadrados o tetraédricos, mientras que los hexacoordinados son octaédricos. A continuación se muestran algunos ejemplos.

El cis-platino es una molécula tetracoordinada planocuadrada, y se utiliza en la quimioterapia anticancerígena. Es eléctricamente neutra: el platino está en forma de ion con carga +2, los dos ligandos amoníaco son neutros y los dos cloruros poseen una carga negativa cada uno.

El anión tetraédrico tetraclorocobalto (ii) posee carga negativa porque el ion cobalto (Co²⁺) está rodeado de cuatro ligandos cloruro con una carga negativa cada uno.

El catión hexaacuoníquel (ii) tiene carga positiva, ya que el ion Ni²⁺ está rodeado por seis moléculas de agua neutras dispuestas en las esquinas de un octaedro.

Los quelatos son compuestos de coordinación en los que el ligando posee dos o más puntos de unión con el metal. El ligando 1,2-diaminoetano (etilendiamina) es un ejemplo de ligando bidentado.

Entre los numerosos ejemplos de complejos fuertemente coloreados se encuentra el catión tetraacuocobre (ii), Cu(H₂O)₄²⁺, que es el responsable del color azul del sulfato de cobre. Otro complejo de este tipo es el catión pentaacuotiocianatohierro (iii), Fe(H₂O)₅SCN²⁺, que confiere a las disoluciones un color rojo sangre.