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Figura 7.

La eficiencia de la fotosíntesis se define en términos del rendimiento de producción de oxígeno por unidad de masa (o de área) de los tejidos de las plantas verdes, o por unidad de peso de la clorofila contenida en ellas. Plantas sanas, que crecen en presencia de aire que contenga de 0.03 a 0.04% de CO2 a 25°C son capaces de producir varios litros de oxígeno por hora y por gramo de clorofila utilizada.



UN POCO DE HISTORIA

El primer intento de que se tiene noticia para explicar el proceso de la fotosíntesis tuvo lugar en el siglo IV a.C. y se debe a Aristóteles, quien resumía el fenómeno mediante la expresión:





Figura 8.

Aristóteles afirmaba que las plantas tomaban del suelo los nutrientes necesarios para producir alimentos.

En el siglo XVII, Jean Van Helmont llevó a cabo un interesante experimento: durante cinco años estuvo agregando agua a un sauce sembrado en una cantidad previamente pesada de tierra. Al final de su experimento, el sauce había aumentado 75 kg, mientras que el suelo había perdido solamente 70 gramos. Así, concluyó que era a partir del agua como se generaban los alimentos:



Figura 9.



Figura 10.

Priestley, 100 años después, comprobó que el aire también intervenía en el proceso y, de acuerdo con el lenguaje usado en esa época, propuso su conclusión:





Figura 11.

Un científico contemporáneo de Priestley, Ingen-Housz, encontró la relación de la luz con la producción de alimentos en las plantas verdes:





Figura 12.

Gracias al rápido avance de la ciencia, en la última década del siglo XVIII se logró establecer las identidades.





Figura 13.

Con esta nueva información. Nicolás de Saussure propuso un mecanismo según el cual la luz absorbida proporcionaba la energía para la ruptura de la molécula de CO2, esta molécula liberaba el oxígeno y así se producían directamente los compuestos orgánicos:





Figura 14.

Julius von Sachs encontró que el compuesto de carbono era un almidón (probablemente glucosa).





Figura 15.

Los estudios de Blackmann (1905) contribuyeron a impulsar las investigaciones para llegar a una mejor compresión de las fases del proceso de la fotosíntesis y lograr identificar el pigmento verde responsable de la absorción de la luz: la clorofila.

Hasta 1930, muchos fisiólogos seguían creyendo que la energía luminosa se utilizaba para descomponer la molécula de C02 de tal forma que el carbono (C) se combinaba con el H2 y el O2 del agua para producir los carbohidratos, mientras que el oxígeno del CO2 se liberaba en forma de gas.

EL AGUA Y NO EL BIÓXIDO DE CARBONO

Más tarde, los estudios de Van Niel sobre los procesos fotosintéticos en bacterias ayudaron a establecer que es el agua, y no el bióxido de carbono, la que se descompone para generar el hidrógeno y liberar el oxígeno, mientras que el CO2 genera los compuestos orgánicos:





Figura 16.

Actualmente se ha establecido que, en la fotosíntesis, la energía solar es absorbida por el pigmento verde de las plantas llamado clorofila y utilizada para la ruptura de las uniones H-O del agua en un proceso llamado fotólisis. El oxígeno es liberado y el H2 —unas veces como tal y otras como generador de electrones libres— se transporta a lo largo de una cadena compleja de reacciones de óxido-reducción en las que se genera energía según este esquema:





Figura 17.

¿Qué entienden los químicos por los términos reducción y oxidación?

La materia está formada por átomos —que a su vez pueden formar moléculas— constituidos por partículas elementales: protones y neutrones, que se encuentran en el núcleo, y por electrones distribuidos en orbitales1 de diferente energía. En las reacciones químicas intervienen los electrones de los orbitales externos: los de mayor energía, llamados de valencia. Cuando un compuesto químico (o un elemento) acepta electrones, se dice que se reduce; por el contrario, si cede electrones, se oxida. Estos procesos ocurren simultáneamente y por ello son llamados reacciones de óxido-reducción. Por ejemplo, en la reacción de formación de la glucosa, el CO2 se reduce mientras que el H2 se oxida.

 

Las reacciones de óxido-reducción son también el fundamento de las celdas electroquímicas, como se verá más adelante. Por ejemplo, en una pila tipo Daniell, las reacciones son:



Zn0 - 2 electrones-------------------  Zn2+ (oxidación)

Cu2+ + 2 electrones------------------- Cu0 (reducción)

Las notaciones Zn0 y Cu0 se refieren a los elementos sin carga mientas que Zn2+y Cu2+son los iones que suelen encontrarse en disolución.



ALGO MÁS SOBRE LA FOTOSÍNTESIS

El proceso fotosintético ocurre en dos etapas:

1) Una fotorreacción en la cual la luz es transformada en energía química. Los dos productos importantes de esta reacción son el ATP (adenosín trifosfato), muy energético y que conduce la mayor parte de los procesos metabólicos, y los electrones libres necesarios para los procesos de reducción, que son transportados a través de las siguientes sustancias: NADP+ (fosfato del nicotín adenín dinucléotido) sustancia aceptora de electrones y el NADPH que es su forma reducida.

2) Una reacción en oscuro, que utiliza la energía química producida en la primera etapa para transformar el CO2, un compuesto de baja energía, en un carbohidrato altamente energético. El ATP provee la energía necesaria para que se lleve a cabo la reacción, y los electrones sirven como agentes reductores.

El proceso fotosintético implica una cadena de (por lo menos) 30 reacciones complejas. Estas fueron descubiertas gradualmente, en un largo proceso de observación y experimentación que tomó cientos de años. Sin embargo, este misterioso proceso de la naturaleza por medio del cual las plantas producen alimentos y sobre el que la humanidad ha especulado durante casi 2 mil años, sigue guardando celosamente muchos secretos que los científicos buscan afanosamente desentrañar, y así poder hacerlos suyos.

¿Logrará el hombre reproducir la fotosíntesis fuera de las plantas verdes?

 

NOTAS

1Un orbital es una función matemática a la cual se pueden asociar, a través de los formalismos adecuados, las propiedades de los electrones en un sistema. En este caso, la propiedad que nos interesa es la energía
III. ¿EXISTEN MATERIALES SIN VIDA QUE, COMO LAS PLANTAS,

.....UTILICEN LA ENERGÍA SOLAR PARA PRODUCIR CAMBIOS

.....EN LA MATERIA?

NADA TIENE COLOR PROPIO

LA MAYORÍA de las plantas que conocemos tienen hojas de color verde, sin embargo, es posible encontrarlas rojas, y en el otoño en una hermosa variedad de tonos amarillos y anaranjados. Las hojas, como toda la materia, cambian de color porque cambia su estructura química. Ciertos grupos orgánicos, como las dobles ligaduras carbono-carbono o ciclos con átomos de nitrógeno, suelen dar a las sustancias colores muy llamativos.





Figura 18. Estructura del B-Caroteno

Por otra parte, es muy interesante notar que el color de las cosas varía según sea la fuente de iluminación utilizada. Esto era muy claro hace algunos años, cuando estuvo tan de moda la "luz negra" que hacía brillar ciertos colores, especialmente los blancos y naranjas. Un automóvil color rojo a la luz del día puede verse de color amarillo claro en la noche, bajo la iluminación de una lámpara de sodio. Por esto se puede afirmar que nada tiene color propio. Este es un hecho bien conocido por los fotógrafos, que suelen emplear lámparas de neón con el fin de obtener el menor cambio posible en las tonalidades, pues este tipo de lámpara emite una radiación que excita una película fotográfica convencional en forma muy parecida a como lo hace la radiación solar.

La radiación solar está compuesta por la combinación de radiaciones de muy diversa energía: las más débiles son las de mayor longitud de onda, mientras que las más potentes tienen una longitud de onda pequeña. De todo este intervalo, los ojos del ser humano sólo pueden percibir una fracción: la comprendida en el denominado espectro visible y que abarca longitudes de onda desde 400 hasta 700 nanómetros.1

 



Figura 19.

Todos los materiales, pertenezcan o no a un sistema viviente, absorben en mayor o menor medida la radiación solar, y con ella retienen también la energía asociada. La energía luminosa se cuantifica en fotones,2 los cuales, al interaccionar con los electrones de la materia, ocasionan que estos electrones sean excitados a niveles de mayor energía. La separación energética de los niveles es característica de cada material y esto origina que cada sustancia absorba selectivamente una o más de las radiaciones que constituyen la luz solar. El color de un objeto es el efecto acumulativo sobre los receptores de luz presentes en la retina de todas aquellas radiaciones que no fueran absorbidas y, por lo tanto, son reflejadas. Un cuerpo cuyas moléculas absorben radiaciones en el intervalo del azul ( 470 nm) se verá de color rojo, que es color complementario del azul. De igual manera, el verde de la vegetación se debe al reflejo de la luz solar, por las hojas y tallos que contienen moléculas de clorofila, las cuales absorben el azul y el rojo( 700 nm), colores complementarios del verde. Los objetos que reflejan todas las radiaciones del espectro visible se ven de color blanco. A esto se debe que en los climas cálidos se utilice mucho la ropa de este color, ya que, al absorber muy poca energía, suelen ser prendas que brindan frescura. Resulta, entonces, curioso que algunas tribus que habitan en los desiertos utilicen ropas oscuras. Sucede que, como estas prendas absorben una gran cantidad de energía, el aire que se encuentra entre las ropas y la piel se calienta, generando corrientes del mismo aire. Este movimiento puede incluso hacer sentir que la tela negra es más fresca que la blanca.3

 

 

En el capítulo anterior explicamos cómo las plantas utilizan la energía solar para promover reacciones químicas; ahora se verá cómo algunos elementos sin vida, llamados semiconductores, pueden transformar la luz solar en energía eléctrica o química, y cómo el hombre puede hacer uso de esta propiedad.



MATERIALES SEMICONDUCTORES

Los semiconductores son elementos o sustancias químicas cuya conductividad eléctrica es intermedia entre la de un metal y un aislante. La conductividad eléctrica es una medida de la capacidad de un material para conducir una corriente y se mide en ohm-¹ m-¹ en el sistema MKS. Para un semiconductor los valores oscilan entre 103; y 10-9Q-1; cm-1; en comparación con valores de 10 7 para los buenos conductores y 10-17 para los buenos aislantes.

Los semiconductores exhiben propiedades conductoras que pueden ser dependientes de la temperatura, lo cual permite su uso como termistores (resistores dependientes de la temperatura), o también dependientes del voltaje, como en los varistores. Constituyen también los diodos rectificadores, cuyo efecto se debe a que los semiconductores pueden presentar altas resistencias en función del sentido en que fluye la corriente eléctrica (véase el capítulo siguiente). Un uso muy extendido de dichos rectificadores se tiene en los componentes de equipos eléctricos diseñados para convertir la potencia eléctrica de corriente alterna a corriente directa. Son los constituyentes básicos de los llamados "eliminadores de baterías", que tanto se utilizan para calculadoras de bolsillo y otros equipos que funcionan con corriente directa, en nuestros hogares u oficinas, que reciben una corriente alterna (aproximadamente en 120 volts, a una frecuencia de 60 Hertz).

La resistividad eléctrica —o sea el inverso de la conductividad— de los semiconductores también es dependiente de la presión y de la frecuencia de la radiación electromagnética, así como de la pureza y la perfección de sus estructuras cristalinas. Por ejemplo, la resistividad del sulfuro de cadmio. (CdS) disminuye 13 órdenes de magnitud (1013 veces menos su valor original) cuando se le añade tan sólo el 0.01% de una impureza. En el grupo de elementos químicos semiconductores figuran el germanio, el silicio, el estaño gris, el selenio, el teluro y el boro.

Los tres primeros pertenecen al IV grupo de la tabla periódica de los elementos y tienen una estructura similar al diamante (forma cristalina del carbono del mismo grupo). El Si y el Ge son los más conocidos y se emplean extensamente en dispositivos como rectificadores y transistores. Los transistores presentan propiedades de amplificación o control de corrientes eléctricas muy pequeñas que han ido desplazando a los tubos de vacío (bulbos) en muchas aplicaciones. Existe un gran número de compuestos químicos con propiedades semiconductoras, como por ejemplo: óxido de cobre (II), sulfuro de zinc (ZnS), telururo de zinc (ZnTe), arseniuro de galio (GaAs), antimoniuro de indio (InSb), seleniuro de zinc (ZnSe), seleniuro de cadmio (CdSe), sulfuro de cadmio (CdS), óxido de titanio (TiO2), óxido de zinc (ZnO), y sulfuros, seleniuros y telururos de metales de transición entre otros.

Existe también un grupo de materiales orgánicos que exhiben propiedades semiconductoras, como por ejemplo: el cloruro de polivinilo, el polietileno, el polipirrol y las ftalocianinas. Otros compuestos de gran interés en la actualidad son los materiales amorfos (sin estructura cristalina), especialmente debido a su bajo costo.

Los rectificadores de selenio (o diodos rectificadores) se introdujeron al comercio en 1930, en Alemania. A pesar de que en 1947 aún no se tenía una clara explicación de las uniones p-n (véase el próximo capítulo), se inventó el transistor; elemento fundamental de la electrónica moderna.

Los diodos rectificadores se distinguen de otro tipo de diodos semiconductores por la naturaleza de sus aplicaciones, a diferencia de otros dispositivos de procesamiento de información, como los llamados diodos de computación y de túnel, los diodos esaki, o los dispositivos reguladores como los de Zener.

Numerosas e importantes invenciones han aparecido en los últimos cuarenta años, incluyendo el láser en 1957 y las uniones superconductoras en 1963.

Desde 1960 el número de componentes de un circuito integrado se ha duplicado cada año (fenómeno conocido como ley de Moore). Por ejemplo, un circuito integrado, en 1981, contenía más de 105 componentes electrónicos independientes. Las propiedades capacitivas y resistivas de las uniones p-n (de las que se tratará en el próximo capítulo) son explotadas en el varistor, el varactor y en el diodo de avalancha.

Una celda solar es un ejemplo importante de un foto-diodo, que es el dispositivo semiconductor que se describirá en los siguientes capítulos. Para poder comprender los fenómenos que toman parte en este proceso, es necesaria una breve revisión de los fundamentos del modelo llamado de bandas de energía.

Es sabido que cada átomo consta de un núcleo y uno o más electrones que se encuentran en diferentes niveles de energía. Cuando un átomo interacciona con otro, se generan nuevos niveles, llamados de "unión" y de "antiunión", según sea su influencia en el enlace químico. En un cm³ de cualquier material sólido se tienen unos 10²² átomos estrechamente unidos y por lo tanto en interacción mutua. Debido al gran número de átomos presentes, se genera una gran cantidad de nuevos niveles, los cuales llegan a tener energías tan semejantes que prácticamente constituyen una región continua denominada banda de energía. Esto equivale a construir entrepisos en un edificio de muchos pisos, cada vez más cercanos entre sí, de hecho tan cercanos que ya no es posible distinguir uno de otro, ni determinar dónde empieza o termina cada piso o nivel. Ahora bien, si pensamos en un elevador que pasa por todos los pisos, vemos que puede ocupar cualquier posición, de igual manera el electrón puede ocupar cualquier posición dentro de la banda. Una variable discreta, al tomar valores muy próximos, tiende a convertirse en una variable continua.

Los electrones que ocupan los niveles de mayor energía son comúnmente llamados electrones de valencia, ya que son generalmente los únicos que intervienen en los procesos químicos. Al interaccionar los electrones que se encuentran en estos niveles se constituye la banda de valencia. Los niveles inmediatos de mayor energía contienen pocos o ningún electrón y dan lugar a la formación de la banda de conducción. Estas dos bandas suelen ser suficientes para describir los fenómenos de excitación y conducción electrónica.

VARIOS NIVELES FORMAN UNA BANDA

En el átomo, los electrones ocupan diferentes niveles de energía. Como se mencionó anteriormente, cuando estas partículas son excitadas con alguna manifestación de la energía (luminosa, térmica, etc.) se trasladan a niveles superiores.

Los niveles de energías son para los electrones lo que los diferentes pisos de un edificio son para un elevador: en condiciones normales de funcionamiento, éste podrá estar en el nivel del sótano, o en el piso 1, o en el 14, pero no podrá estar situado en una posición intermedia entre dos pisos ni en dos pisos simultáneamente. Cuando el elevador recibe una señal desde los botones de control, se desplaza hacia arriba o hacia abajo en forma análoga a los electrones cuando absorben o emiten energía. Los electrones sólo pueden ocupar ciertas posiciones: el piso o nivel 1, el 2, el 3, pero no el 1.50 el 2.3. Por esto se dice que la energía de los electrones está cuantizada, ya que absorben o emiten energía en cantidades definidas llamadas cuantos. La energía de los electrones es una variable discreta. 4

 



Figura 20



Figura 21. Analogía entre el elevador y la información de las bandas a partir de los niveles individuales.

UNOS SON LIBRES Y OTROS NO

Para todos los elementos y sus compuestos puede proponerse el modelo de bandas de energía descrito en la sección anterior. Sin embargo, al analizar la estructura química de cada sustancia se encontrará que hay casos en que la banda de valencia y la de conducción están parcialmente sobrepuestas. Por otra parte, algunas sustancias presentan entre sus bandas de energía una "brecha" o zona de energía que, por efectos de la cuantización, no puede contener electrones y que por ello se denomina banda prohibida. Los electrones pueden atravesar esta banda pero no permanecer en ella, del mismo modo que los elevadores en algunos edificios que sólo se detienen en los pisos nones pero pasan momentáneamente por los pares.





Figura 22.

Los únicos electrones que pueden participar activamente en la conducción de un impulso eléctrico son los que se hallan en la banda de conducción y a ello se debe su nombre. Esta banda está esencialmente desocupada y, por tanto, permite a los electrones un fácil desplazamiento. La banda de valencia, por el contrario, suele estar saturada de electrones, razón por la cual las partículas que se encuentran en estos niveles de energía no participan generalmente en el transporte de carga. Una excepción a lo anterior se produce en materiales como el litio, cuya banda de valencia se encuentra "semi-llena" y por ello su conductividad es mayor.

En los materiales conocidos como aislantes, la banda prohibida es de gran magnitud (mayor de unos 4 eV),5 lo que da lugar a que los electrones requieran energías excesivamente grandes para ser excitados a la banda de conducción. Si se pretende suministrar esta energía, primero ocurre la descomposición del material. El caso contrario es el de los metales, generalmente muy buenos conductores debido a que sus bandas de energía se encuentran traslapadas. Esta situación es la base del llamado enlace metálico, en el cual los electrones de valencia tienen gran libertad de traslación y constituyen de hecho una nube de carga.

 

La situación intermedia corresponde a los semiconductores. En ellos, la banda prohibida existe pero es relativamente pequeña (entre 0.3 y 3.5 eV), por lo que los electrones de la banda de valencia pueden ser excitados más fácilmente hacia la banda de conducción, por medio de una cantidad de energía suministrada ya sea, por vía térmica o luminosa. A bajas temperaturas y en condiciones de escasa o nula iluminación, un semiconductor tendrá una resistividad al paso de la corriente eléctrica, semejante a la de un aislante, ya que sus electrones estarán prioritariamente confinados a la banda de valencia. Bastará la temperatura ambiente (unos 25 °C) para que la mayoría de los semiconductores posea cantidades apreciables de electrones en la banda de conducción y, por tanto, su resistividad disminuya considerablemente. Es importante notar que la conductividad eléctrica de estos materiales es directamente proporcional a la temperatura, y por ello se afirma que su coeficiente térmico de conductividad es positivo, a diferencia de los metales cuyo coeficiente térmico de conductividad es negativo.



CUADRO 1

Coeficiente de temperatura de resistividad

Elemento

por °C por ohm a 0°C

Au

3.65 x 10-3

Ag

4.11 + 10-3

Pt

3.7 x 10-3

Zn

4.0 x 10-3

Ya que estos coeficientes son positivos, al aumentar la temperatura la resistividad de los metales aumenta o, en forma equivalente, su conductividad disminuye.

Por lo contrario, a temperaturas normales (aprox. 25°C), la conductividad de los semiconductores aumenta en un 5% por cada grado de incremento en la temperatura.

Ejemplo del uso de estos coeficientes:

Si el valor para el cobre es de 4.27 x 10-3 y se tiene alambre de cobre cuya resistencia es de 50 ohms a 0°C, el incremento en la resistencia será:


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