En la sociedad actual, el hidrógeno puede ser muy importante debido a que representa una fuente de energía alternativa, con el potencial para reducir la dependencia de fuentes de energía actual, como el petróleo. Esto puede promover la reducción de las emisiones de gases y disminuir el efecto invernadero. Sin embargo, el hidrógeno molecular no está disponible en la Tierra en forma pura, por lo que se tiene que producir por diversos métodos. Uno de los métodos que se cree se puede utilizar, es el rompimiento fotocatalítico del agua. Esta es una de las reacciones más importantes para los seres vivos y ocurre naturalmente durante el proceso de la fotosíntesis. Representa una de las maneras más prometedoras para la conversión fotoquímica y almacenamiento de energía solar y es el punto de partida para una generación sustentable de hidrógeno y posiblemente para el desarrollo sustentable de la especie humana.
La fotosíntesis consiste en la absorción de luz, agua y CO2, para generar alimento para el crecimiento y sobrevivencia de las plantas. Con este propósito, las plantas emplean dos complejos proteínicos, que se encuentran en la membrana tilacoidal: el Fotosistema I (FSI) y el Fotosistema II (FSII). En el FSII la energía solar divide dos moléculas de agua en cuatro iones hidrónio (H+), cuatro electrones y una molécula de oxígeno (O2). La formación de O2 en el FSII se realiza en el complejo oxigénico (OEC). Esta consiste en un clúster metálico de una estructura conectada mediante oxígenos, y con cuatro átomos de Manganeso y un átomo de Calcio. Actualmente, la fotosíntesis artificial es una tarea importante a realizar en el planeta. Sin embargo, la producción de hidrógeno a través de la conversión directa de la energía solar en energía química, es un reto que permanece abordado de manera limitada. Para la imitación de un sistema de fotosíntesis artificial, es necesario comprender estructural y funcionalmente el sistema natural, y del proceso del rompimiento del agua, en particular, en el complejo generador de oxigeno. El propósito del presente trabajo es mediante la evaluación de la estabilidad de complejos Manganeso(II) y calcio(II) con 2,2’-bipiridina y 1,10-fenantrolina, evaluar el comportamiento, la estabilidad y transferencia de carga de estos, así como comparar espectralmente con el clúster Manganeso-Calcio y con el espectro electrónico del complejo [Ru(bipy)3]2+, el cual ha sido utilizado en sistemas de fotosíntesis artificial.
Índice
Introducción
Capítulo 1 Generalidades
1.1. Objetivo general
1.1.1. Objetivos específicos
1.2. Justificación
Capítulo 2 Marco teórico
2.1. El hidrógeno como fuente de energía
2.2. Fotosíntesis
2.2.1. La disociación fotocatalítica del agua en el complejo generador de oxígeno (OEC)
2.2.2. Estructura tridimensional del OEC
2.2.3. Importancia del Calcio en el OEC
2.2.4. Mecanismo de oxidación del agua y la importancia del Manganeso
2.2.5. Cambios en el espectro electrónico asociados con las transiciones de los estados S y la oxidación de los átomos Manganeso
2.3. Fotosíntesis artificial
2.4. Complejos metálicos
2.4.1. Numero de coordinación y ligantes
2.4.2. Enlace de coordinación
2.4.3. Geometría de los complejos metálicos
2.4.4. Estabilidad de los compuestos de coordinación
2.4.5. Constante de estabilidad
2.4.6. Importancia de los metales en sistemas biológicos
2.4.7. Coordinación de complejos de Ca
2.4.8. Complejos de coordinación de Manganeso(II)
Capítulo 3 Metodología
3.1. metodología general
3.1.1. Mediciones físicas
3.1.2. Estudios de equilibrio para el sistema Calcio(II)-2,2’Bipiridina
3.1.3. Estudios de equilibrio de Calcio(II)-1,10-fenantrolina
3.1.4. Estudios de equilibrio de Manganeso(II)– 2’2-Bipiridina
3.1.5. Estudios de equilibrio de Manganeso(II)–1,10-Fenantrolina
Capítulo 4 Resultados
4.1. Constantes de formación de los complejos de Calcio(II) con 2,2’-Bipiridina y 1,10-Fenantrolina.
4.2. Constantes de formación de los complejos de Manganeso(II) con 2,2’-Bipiridina y 1,10-Fenantrolina
4.3. Curvas de formación de los complejos Calcio(II)-2,2’-Bipiridina y Calcio(II)-1,10-Fenantrolina
4.4. Curvas de formación de complejos Manganeso(II)–2,2’-Bipiridina y Manganeso(II)-1,10-Fenantrolina
Capítulo 5 Discusión de Resultados
Capítulo 6 Conclusiones
Objetivos y Temas de Investigación
El objetivo principal de esta investigación es evaluar la estabilidad en disolución de complejos de Manganeso(II) y Calcio(II) con 2,2'-bipiridina y 1,10-fenantrolina mediante métodos espectrofotométricos, para determinar su potencial uso como modelos en sistemas de fotosíntesis artificial mediante la comparación con el complejo [Ru(bipy)3]2+ y el clúster natural de Manganeso-Calcio.
- Estabilidad de complejos metálicos en disolución.
- Fotosíntesis artificial y fotocatálisis del agua.
- Caracterización espectroscópica de compuestos de coordinación.
- Modelado bioinorgánico del complejo generador de oxígeno (OEC).
- Determinación de constantes de formación mediante análisis espectrofotométrico.
Auszug aus dem Buch
El propósito del presente trabajo es mediante la evaluación de la estabilidad de complejos Manganeso(II) y calcio(II) con 2,2’-bipiridina y 1,10-fenantrolina, evaluar el comportamiento, la estabilidad y transferencia de carga del sistema, así como comparar espectralmente con el clúster Manganeso-Calcio para encontrar las similitudes y diferencias entre estos, y así sugerir un mejor complejo para que forme parte de un modelo espectral del clúster Manganeso–Calcio.
Se reportan las constantes de formación de las especies calcio-2,2’-bipiridina y calcio(II)-1,10-fenantrolina, así como el cálculo de sus espectros individuales y sus valores de absorbancia molar. Esto permite establecer analogías electrónicas por medio de una comparación del espectro electrónico de los complejos obtenidos con el complejo [Ru(bipy)3]2+. Este complejo ha sido utilizado en la reacción de la disociación del agua e imita espectralmente en menor medida, al complejo generador de oxígeno (OEC).
Resumen de Capítulos
Capítulo 1 Generalidades: Establece el objetivo general de la investigación y las razones que justifican el estudio de nuevos compuestos para la fotosíntesis artificial.
Capítulo 2 Marco teórico: Proporciona el contexto sobre la fotosíntesis natural, el complejo generador de oxígeno y los fundamentos de los compuestos de coordinación.
Capítulo 3 Metodología: Detalla los procedimientos experimentales, equipos de espectroscopía y programas informáticos utilizados para el análisis de los sistemas.
Capítulo 4 Resultados: Presenta los datos obtenidos sobre las constantes de formación y las curvas espectroscópicas de los complejos estudiados.
Capítulo 5 Discusión de Resultados: Analiza e interpreta los valores de estabilidad encontrados, comparándolos con la literatura existente y fundamentando las diferencias observadas.
Capítulo 6 Conclusiones: Resume las aportaciones de la investigación y propone futuras líneas de estudio para optimizar los complejos como modelos fotosintéticos.
Palabras Clave
Fotosíntesis artificial, Complejos de coordinación, Manganeso(II), Calcio(II), 2,2'-Bipiridina, 1,10-Fenantrolina, Constante de formación, Espectrofotometría, Fotocatálisis, Estabilidad, Transferencia de carga, OEC, Modelado bioinorgánico.
Preguntas frecuentes
¿Cuál es el propósito fundamental de esta investigación?
El estudio busca evaluar la estabilidad de complejos de Manganeso y Calcio con ligandos específicos para entender su comportamiento en disolución y su utilidad como modelos para sistemas de fotosíntesis artificial.
¿Qué compuestos metálicos son el foco de estudio?
La investigación se centra específicamente en complejos de Manganeso(II) y Calcio(II) utilizando 2,2'-bipiridina y 1,10-fenantrolina como ligandos.
¿Qué es la fotosíntesis artificial?
Es un proceso inspirado en la naturaleza que busca utilizar energía solar para convertir el agua y el dióxido de carbono en combustibles, principalmente hidrógeno, mediante catalizadores sintéticos.
¿Qué método científico se emplea para el análisis?
Se utilizan métodos espectrofotométricos de valoración, analizando los cambios en la absorbancia para determinar constantes de formación y diagramas de distribución de especies.
¿Qué se analiza en el cuerpo principal del trabajo?
El cuerpo del trabajo cubre el marco teórico, el diseño experimental de los estudios de equilibrio, el cálculo de constantes de formación y la comparación espectroscópica con modelos conocidos.
¿Cuáles son las palabras clave que definen este trabajo?
Las palabras principales incluyen fotosíntesis artificial, complejos de coordinación, estabilidad, constante de formación y caracterización espectroscópica.
¿Por qué se evitó la fuerza iónica en los experimentos de este trabajo?
Se evitó debido a que la fuerza iónica puede provocar la precipitación temprana de los complejos, lo que interferiría con las mediciones y el cálculo preciso de las constantes de estabilidad.
¿Qué papel juega el Manganeso en los complejos estudiados?
El Manganeso actúa como centro metálico clave, dado que en el complejo generador de oxígeno (OEC) natural, es el elemento responsable de la actividad catalítica redox para la oxidación del agua.
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- José de Jesús Nezahualcóyotl Segoviano-Garfias (Author), María de la Luz Pérez-Arredondo (Author), Jacqueline González-González (Author), 2016, Compuestos de Coordinación de Manganeso(II) y Calcio(II) con 2,2’-Bipiridina y 1,10-Fenantrolina para su Uso Potencial en Sistemas de Fotosíntesis Artificial, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/337241
