15.13: Fotosíntesis
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El adjetivo fósil describe muy acertadamente los combustibles fósiles, porque todos ellos se derivan de los restos de plantas o animales que vivieron en la tierra hace millones de años. El carbón, por ejemplo, comenzó como materia vegetal en pantanos prehistóricos, donde pudo descomponerse en ausencia de aire. Las turberas actuales son ejemplos de esta primera etapa en la formación del carbón, y en países como Irlanda la turba seca es un combustible importante. Durante largos períodos de tiempo, a altas temperaturas y presiones bajo la superficie terrestre, la turba puede transformarse en lignito, una forma marrón y blanda de carbón. La acción continuada de las fuerzas geológicas convierte el lignito en bituminoso, o carbón blando, y eventualmente en antracita o carbón duro. Cuando se queman, estos dos últimos tipos de carbón liberan considerablemente más calor por unidad de masa que el lignito o la turba.
Un punto crucial a tener en cuenta sobre los combustibles fósiles es que la energía que liberamos al quemarlos vino originalmente del sol. Las plantas de las que se derivaron los combustibles crecieron como resultado de la fotosíntesis, la combinación de dióxido de carbono y agua bajo la influencia de la luz solar para formar compuestos orgánicos cuya fórmula empírica es aproximadamente
\[\ce{CO_{2}(g) + H_{2}O(l) \rightarrow [CH_{2}O](s) + O_{2}(g)} \label{1} \]
con\(\Delta H \approx 469 \text{kJ mol}^{-1}\)
Dado que una serie de sustancias diferentes se forman por la fotosíntesis, la fórmula empírica [CH 2 O] y la Δ H son sólo aproximadas.
La fotosíntesis es endotérmica, y la energía necesaria es suministrada por la absorción de energía solar radiante. Esta energía puede ser liberada llevando a cabo el reverso de la Ecuación\ ref {1}, un proceso que es exotérmico. Cuando quemamos papel, madera u hojas secas, el calor desprendido es realmente una forma almacenada de luz solar. Las plantas y los animales obtienen la energía que necesitan para crecer o moverse de la oxidación de sustancias producidas por la fotosíntesis. Este proceso de oxidación se llama respiración.
Después de millones de años de cambios geológicos, los combustibles fósiles son significativamente diferentes en estructura química del material vegetal o animal recién fotosintetizado. Los cambios que ocurren pueden ser aproximados por la ecuación para la formación de metano (gas natural):
\[\ce{2[CH_{2}O] \rightarrow CH_{4}(g) + CO_{2}(g)} \nonumber \]
con\(\Delta H \approx –47 \text{kJ mol}^{-1}\).
Esta reacción es sólo ligeramente exotérmica, por lo que se pierde muy poca energía captada por la luz solar. Sin embargo, aproximadamente la mitad del carbono y todo el oxígeno se pierden como gas dióxido de carbono, por lo que un combustible fósil como el metano puede liberar más calor por átomo de carbono (y por gramo) que la madera u otros materiales orgánicos. Es por ello que los carbones antracita y bituminosos son mejores combustibles que la turba de la que se forman. Los cambios de entalpía que ocurren durante la fotosíntesis, respiración y formación y combustión de combustibles fósiles se resumen en la Figura\(\PageIndex{1}\).
