¿Cómo se almacena la energía química en el carbono?

Question

Soy bastante novato en química y me cuesta entender cómo se almacena la energía química en el carbono (soy consciente de que la pregunta puede generalizarse a "cómo se almacena la energía química", pero intento entenderlo en el ejemplo del carbono). En el ejemplo de mi libro, el carbono y el oxígeno reaccionan para formar dióxido de carbono, liberando energía en forma de calor en el proceso.

Mi libro dice que la energía liberada en este proceso proviene principalmente del carbono, que es originalmente la energía solar almacenada por las plantas. He intentado buscar explicaciones cómo que la energía se almacena (no cómo funciona el proceso de fotosíntesis, sino en qué forma o cuál es el significado de "energía almacenada"), pero sigo sin entenderlo. La mejor respuesta hasta ahora era ¿Cuál es la naturaleza de la energía química?

Si he entendido bien la respuesta, la energía potencial de enlace de una molécula de dióxido de carbono es menor que la energía potencial de enlace combinada de un átomo de carbono y una molécula de oxígeno. Dado esto, todavía hay dos cosas que no entiendo:

• ¿Por qué la energía potencial de enlace del átomo de carbono y/o de la molécula de oxígeno es mayor que la de una molécula de dióxido? ¿Cómo puede explicarse? ¿Está directamente relacionado con las características químicas de los elementos carbono y oxígeno y del compuesto dióxido de carbono?
• ¿Por qué, o mejor dicho, cómo se convierte dicha energía potencial de enlace en calor en el proceso?

Soy consciente de que aquí puede haber conceptos de física que no conozca o no entienda para comprender una posible respuesta, y agradecería cualquier indicación sobre qué temas debería leer primero para entender dicha respuesta.

Edición: Me gustaría citar aquí algo que encontré en Wikipedia. No estoy proporcionando como una respuesta ni afirmando que es correcto, sólo tratando de ilustrar cómo confuso es encontrar una respuesta satisfactoria para este asunto. Esto viene de https://en.wikipedia.org/wiki/Chemical_bond#Overview_of_main_types_of_chemical_bonds :

En la visión más simple de un enlace covalente, uno o más electrones (a menudo un par de electrones) son atraídos al espacio entre los dos núcleos atómicos. La formación del enlace libera energía. No como una reducción de la energía potencial (sic) porque la atracción de los dos electrones por los dos protones se ve contrarrestada por las repulsiones electrón-electrón y protón-protón. En cambio, la liberación de energía (y por lo tanto la estabilidad del enlace) surge de la reducción de la energía cinética debido a que los electrones se encuentran en un orbital más distribuido espacialmente (es decir, mayor longitud de onda de De Broglie) en comparación con cada electrón confinado más cerca de su núcleo respectivo.

Cursiva y negrita añadidas por mí. Nótese que la propia Wikipedia tiene una etiqueta '[aclaración necesaria]' en medio de ese texto, justo después de 'dos protones', que he eliminado.

Así que si entiendo que correctamente y asumiendo que la información es correcta: cualquier formación de un enlace covalente resultaría en la liberación de energía. Pero eso sigue sin explicar por qué mi libro afirma que la energía se almacena especialmente en el carbono (y no en el oxígeno), y por qué se libera en forma de calor. Además, la explicación de Wikipedia contradiría lo que he mencionado antes, es decir, que la energía liberada procede de diferencias en la energía potencial de enlace.

Answer 1

Una de las cuestiones más importantes en la comprensión de la energía de enlace en química es la pregunta: energía ¿en relación con qué?

La formación de enlaces a partir de elementos atómicos (en su mayoría hipotéticos) libera energía (o no serían pegado .) El carbono sólido (grafito o diamante) tiene menos energía que una nube de átomos de carbono, por lo que podría decirse que el grafito tiene menos energía en relación con una nube de átomos de carbono atómico . Describiríamos esta energía como "energía de enlace". Pero se trata de la energía liberada por el hipotético proceso de formación de listas de enlaces C-C a partir de átomos de carbono aislados.

Pero hay otra complicación sutil si queremos entender las reacciones. A veces, cuando los químicos escriben un esquema de reacción no especifican todos los detalles. Así, C +O ₂ ->CO ₂ en realidad no significa atómica átomos de carbono más moléculas de oxígeno dan dióxido de carbono. La mayoría de los químicos supondrían que el carbono comienza en el estado en el que se encuentra normalmente en los laboratorios: grafito (es decir, no átomos aislados, sino un sólido molecular que contiene muchos enlaces C-C). Esta terminología parece haber confundido a algunas personas. Pero a los químicos no les gusta desperdiciar espacio en fórmulas especificando redundantemente cosas que la mayoría de sus colegas ya sabrán. Se asume el estado por defecto de un ingrediente en una reacción a menos que se especifique lo contrario, y esto suele significar la forma que adopta el compuesto o elemento en una botella en la estantería del laboratorio.

Entonces, ¿cómo podemos decir que el carbono almacenes ¿energía? Bueno, tenemos que hacernos la pregunta, ¿en relación con qué? En el caso de la pregunta la respuesta es en relación con el gas carbónico. La cuestión es que los dobles enlaces del CO ₂ son más fuertes que los enlaces combinados en el gas oxígeno y el grafito (por lo que son menos energía ) Esto significa que la reacción entre el carbono y el oxígeno libera energía (se necesita menos energía para romper todos los enlaces O-O y C-C que la que se libera cuando se forman nuevos enlaces C=O. Así pues, el carbono elemental "almacena" energía en relación con el dióxido de carbono.

La afirmación de que el carbono "almacena" la energía solar absorbida por las plantas es un poco simplista (sobre todo porque las plantas no almacenan carbono pero suelen almacenar moléculas más complicadas como azúcares o poliazúcares como la lignina o la celulosa). Las plantas muertas se convierten en compuestos más parecidos al carbono (el petróleo es sobre todo hidrocarburos, pero el carbón es sobre todo carbono) en algunas condiciones geológicas. Lo que realmente hacen las plantas al principio de este proceso es convertir el dióxido de carbono en azúcares utilizando la energía aportada por la luz solar. Lo hacen para almacenar energía y para crecer convirtiendo los azúcares en las estructuras de sus hojas, tallos y troncos.

Podemos invertir ese proceso quemando las plantas o sus productos de degradación, como el petróleo y el carbón, en el aire para reproducir el dióxido de carbono y liberar energía. En este sentido tan simplificado, el carbono es un almacén de energía "solar".

Pero la clave para entender lo que se quiere decir es comprender la reacción química que interviene en la creación o combustión del carbono. Entonces podrás entender qué energía se almacena y cómo se almacena.

Answer 2

Me doy cuenta de que usted no está interesado en los mecanismos de la fotosíntesis o el metabolismo, sin embargo, como soy bioquímico, será más fácil para mí explicar esto desde una perspectiva bioquímica. Intentaré evitar hablar de mecanismos específicos. En cualquier caso, creo que esto puede ayudarte a entender este problema.

La energía potencial de enlace se utiliza para proporcionar un medio de "pagar" el coste de los procesos celulares que no tienen ganancia entrópica. Y como has indicado en tu pregunta, todo esto comienza con la fotosíntesis.

Consideremos la molécula de dióxido de carbono. Está formada por dos $\ce{C=O}$ cada uno de los cuales contiene un energía de enlace de $\pu{799 kJ/mol}$ . Esta forma inorgánica del carbono es la más estable de todos los carbonos en un sistema biológico. Para romper este enlace, es necesario un aporte de energía superior o igual a $\pu{799 kJ/mol}$ En las plantas, esta energía se obtiene mediante la fotosíntesis.

Así que, para evitar repasar cómo una planta construye moléculas ricas en energía, pasemos a la parte más interesante: ¿cómo se almacena y utiliza la energía en los enlaces de carbono creados por la fotosíntesis?

Como a usted no parecen importarle mucho los mecanismos, me gustaría que supiera que lo que voy a decir es una gran simplificación. También le será útil saber que un $\ce{C-C}$ tiene una energía de $\pu{346 kJ/mol}$ , a $\ce{C-S}$ tiene una energía de $\pu{272 kJ/mol}$ y un $\ce{S-H}$ tiene una energía de $\pu{363 kJ/mol}$ .

Durante el metabolismo, los azúcares acaban convirtiéndose en una molécula llamada piruvato. Esta molécula de piruvato reaccionará con una molécula que contiene tiol llamada coenzima A (CoA) para formar acetil-coenzima A de la siguiente manera:

La entalpía de formación puede calcularse de la siguiente manera:

$$\Delta H = \sum \text{Bond energy reactant} - \sum \text{Bond energy of products}$$

Para que se produzca esta reacción, debe ocurrir lo siguiente:

1. Romper el $\ce{S-H}$ enlace del tiol de CoA
2. Romper el $\ce{C-C}$ enlace de piruvato
3. Formar una $\ce{C=O}$ enlace de dióxido de carbono
4. Formar una $\ce{C-S}$ enlace de acetil-CoA

Esto significa que la entalpía de formación:

$$\Delta H = ( 346 + 363) - ( 799 + 272) = \pu{-362kJ/mol}$$

Es decir, esta reacción libera $\pu{362 kJ/mol}$ de energía.

La mejor manera de pensar en las energías de enlace es considerar que la "energía de enlace" es en realidad la cantidad de energía que se libera (en forma de calor o luz) al formarse un enlace, o la cantidad de energía que debe proporcionarse (mediante calor o luz) para romper un enlace.

Las moléculas, como los azúcares, acaban descomponiéndose para formar dióxido de carbono, que, como hemos visto, contiene enlaces de muy alta energía. Es en el proceso de formación de estos $\ce{C=O}$ enlaces, que la energía "almacenada" pueda liberarse.

También debo señalar que el $\ce{O2}$ que entra en una célula nunca participa directamente en ninguna reacción con el carbono. $\ce{O2}$ sin embargo, se convertirá en dos moléculas de agua, al reaccionar con un ácido llamado NADH.

Answer 3

Aunque esta no es la reacción real que los organismos vivos utilizan para producir $\ce{CO2}$ , creo que tienes en mente la reacción de formación de dióxido de carbono, que sí se puede explorar para entender la energía de enlace.

Tengamos una caja con carbono puro en alguna forma alotrópica, digamos grafito, sumergida en una atmósfera de oxígeno puro. A medida que pasa el tiempo -y de hecho puede tardar mucho-, las insistentes colisiones de las moléculas de oxígeno con la red sólida producirán una reacción química. Piense en lanzar un manojo de llaves al azar sobre una superficie llena de cerraduras compatibles. Las llaves no se mueven necesariamente a la misma velocidad ni en la misma dirección, por lo que algunas de ellas seguramente rebotarán en la superficie, si es que llegan a alcanzarla, o puede que no tengan la velocidad suficiente para introducirse en la cerradura. Sin embargo, algunas llaves pueden tener el movimiento adecuado para introducirse en la cerradura. Pero, ¿qué abre esta llave? Siguiendo con la analogía, la llave desbloquea esa cerradura de las demás, liberándola de esa superficie y trayendo un par llave-cerradura a la trayectoria de vuelo de las llaves.

Ahora, recuerde de la física que cuando la presencia de una colisión en la que las cosas palo probablemente tenga un inneslatic colisión, donde el momento se conserva pero la energía cinética no. Parte de esa energía se convierte en calor. Usted parece querer saber cómo . Pero la verdadera pregunta debería ser ¿Por qué no? . Las moléculas se mueven incesantemente en direcciones aleatorias, intercambiando impulso y energía de forma caótica. Si pudiéramos canalizar todas las velocidades moleculares para que siguieran una dirección principal, tendríamos movimiento macroscópico y la energía para producir ese fenómeno se llama trabajo . Eso es lo que ocurre cuando empujas o tiras de un objeto. Cuando dejas de empujarlo, observamos que la fricción lo ralentiza hasta que se detiene. Microscópicamente, las moléculas del objeto chocan con las moléculas de la superficie sobre la que se desliza y también con las moléculas de aire, ambas de alguna manera estáticas en este marco de referencia, por lo que comparten momento y energía hasta que el objeto también se queda estático y las moléculas vuelven a no tener una dirección preferente distinta que seguir.

La antigua energía cinética del objeto pertenece ahora al movimiento microscópico de las moléculas, que se distribuye aleatoriamente. Este es calor. El hecho de que la misma energía una vez visible en el movimiento macroscópico se transfiera en su totalidad al reino molecular es el primera ley de la termodinámica . El hecho de que la energía de cierta manera prefiere convertirse en calor es el segunda ley de la termodinámica . Tire de una cuerda y suéltela y oscilará durante un rato con una amplitud decreciente, a medida que su energía mecánica se convierte en energía térmica. Esto también ocurre con la guarida llave-cerradura. Se podría pensar en el mecanismo como algo parecido a: la llave golpea la cerradura, se empuja hacia dentro, transfiere algo de energía cinética y momento con una dirección normal con respecto a la superficie, la energía ahora pertenece a los elementos cercanos de la superficie, que entonces comparten esta energía y distribuya a lo largo de las otras direcciones. Si esto le confunde, no se preocupe. La termodinámica subyacente es independiente del mecanismo. Así que, independientemente de cómo se produzca el fenómeno, podemos concluir que para una cantidad suficientemente grande de partículas interactuando, cualquier energía que pueda convertirse en energía térmica ciertamente lo hará en un plazo de tiempo suficiente.

El par llave-cerradura sólo deja de ser una buena analogía de la energía electrónica de moléculas. Se puede pensar que las llaves se mueven y giran, al igual que las moléculas, y que ambas almacenan energía en su interior. grados de libertad . Pero los productos químicos también presentan electrones que se mueven e interactúan, por lo que contienen energía. Diferentes átomos o moléculas tienen diferentes cantidades de electrones, con diferentes niveles de energía, lo que está relacionado con todas las interacciones cuánticas y electromagnéticas. Esto es difícil. Es mejor que pensemos en las reacciones químicas simplemente como el movimiento de electrones -con los núcleos manteniendo la estructura y "siguiendo" a los electrones- hacia entidades más estables, con una energía más baja, como la llave dentro de la cerradura, y la energía se libera en forma de calor, no porque haya algún mecanismo especial para producir calor, sino porque el calor es energía no organizada simplificada, y es el producto más probable con septillones de moléculas reaccionando juntas.

Answer 4

Tenga en cuenta que se trata de una respuesta editada. Me he dado cuenta de que inicialmente había un error muy grave en mi respuesta. Por favor, relea si no ha leído esta versión editada.

En química, nos fijamos exclusivamente en las energías en el proceso de ruptura y formación de enlaces cuando analizamos la energética, como bien ha señalado Zhe en los comentarios. Así, los átomos libres, como el átomo de carbono, no "almacenan energía". Como has aclarado en los comentarios, deseas saber, "en el contexto de la reacción $\ce{C + O2 -> CO2}$ de dónde procede la energía liberada, cómo se almacena en el carbono y cómo se convierte en calor". En mi respuesta, abordaré esta pregunta en tres partes. Nótese que no trataré la química nuclear ni las interacciones de las partículas subatómicas, aparte de la partícula que más preocupa a los químicos: el electrón.

En química, los cambios de energía surgen debido a dos procesos clave: la formación de un enlace químico y la ruptura de un enlace químico, donde el término "enlace químico" se refiere a cualquiera de los siguientes: enlace iónico, enlace covalente, enlace metálico y fuerza de atracción intermolecular (aunque algunos pueden discutir esto). La formación de un enlace es un proceso exotérmico, mientras que su ruptura es endotérmica. Esto es bastante intuitivo, ya que se necesita energía para superar la fuerza de atracción entre los átomos. El proceso exotérmico de formación de enlaces puede no ser tan intuitivo. Sin embargo, se puede considerar simplemente como una aplicación de la conservación de la energía: si la ruptura de un enlace se establece para absorber energía, lo contrario desprendería una cantidad equivalente de energía. Otra explicación intuitiva de por qué esto es así procede de un principio químico muy importante: Los sistemas químicos, en general, prefieren estar en el estado más estable (es decir, un estado de menor energía). Así, la formación de enlaces y las reacciones exotérmicas, en general, se ven favorecidas termodinámicamente.

Parte 1 : En la combustión del carbono elemental, la energía se desprende por la formación exotérmica de dos dobles enlaces fuertes carbono-oxígeno (endotérmica), mientras que el doble enlace oxígeno-oxígeno se rompe (exotérmica). El cambio global de entalpía de la reacción es exotérmico, ya que la suma de las energías de enlace de los enlaces formados es mayor que la de los enlaces rotos. Por lo tanto, la reacción libera energía.

Parte 2 : No hay energía almacenada en un átomo de carbono, en un sentido químico. Esto es lo que me ha venido a la mente esta misma mañana mientras reflexionaba sobre esta cuestión:

¿Qué almacena energía en la química? Se me ocurre que la afirmación "los enlaces almacenan energía" es muy errónea. Así pues, me temo que tendría que decir que Zhe se equivoca en sus comentarios. Pero tampoco es correcto decir "los átomos libres (o enlazados) almacenan energía". Por mucho que no me gustaría utilizar esta analogía para responder a esta pregunta por posibles puntos de discordia en cuanto a la relevancia, creo sin embargo que es apropiada: Consideremos dos simples barras magnéticas (es decir, dipolos magnéticos) que se atraen entre sí. Lo que los mantiene unidos es una fuerza magnética. Para separarlos, les inyectamos energía en forma de trabajo para vencer la fuerza. Este sistema de dipolos magnéticos es análogo a la forma en que los átomos se unen entre sí, sólo que la fuerza de atracción entre los dos átomos es mucho más compleja y su naturaleza es electrostática, no magnética (por supuesto, ahora sabemos que el magnetismo está muy estrechamente vinculado a las cargas eléctricas en física, pero eso no es importante para este debate).

Así que volviendo a los ejemplos relevantes, que ilustrarían mi siguiente punto importante como para explicar de dónde vienen los cambios de energía. Consideremos la energía química almacenada en los alimentos. Decimos que existe una energía potencial química (a un nivel muy básico de la física). Pero, ¿es eso cierto? ¿Los alimentos y muchos combustibles almacenan energía? Puede ser correcto desde el punto de vista del combustible que reacciona. ¿Por qué lo digo? Recuerde: es el proceso de formación y ruptura de enlaces el que produce energía. Los enlaces en sí no almacenan energía. Sólo a partir de las reacciones observaríamos cambios energéticos, ya que los reactivos desprenden o absorben energía para formar productos.

Volvamos a la combustión del carbono elemental. Desde esta perspectiva, ni el carbono, ni el dióxido de carbono, ni el oxígeno almacenan energía. Las sustancias en estado final e inicial no almacenan energía. En el proceso de formación y ruptura de enlaces, esa energía es cedida o absorbida por el sistema.

¿Por qué los enlaces no almacenan energía? Bueno... los enlaces son meras fuerzas electrostáticas de atracción en el sentido más elemental. ¿Cómo puede una fuerza almacenar energía?

Incluso si no crees el resto de mi explicación de bajo nivel, por favor, al menos llévate una cosa: Los bonos no almacenan energía.

Parte 3 : En química, la energía se desprende muy a menudo en forma de calor en las reacciones exotérmicas. Sin embargo, también puede desprenderse en forma de energía luminosa o sonora.

En cuanto a tu pregunta más difícil sobre por qué se desprende energía durante la formación de enlaces, puedes consultar mi muy breve explicación en el Párrafo 2. Sin embargo, no puedo darle una respuesta detallada. Aunque no encuentro ningún fallo en la explicación de Wikipedia basada en la mayor deslocalización de electrones durante la formación del enlace, no creo que sea la razón principal. Ciertamente, las fuertes fuerzas de atracción del núcleo también deben estar implicadas.