Sinar matahari adalah sumber utama dari semua energi yang menjaga biosfer planet kita. Melalui fotosintesis, tanaman, ganggang, dan beberapa jenis bakteri mengubah energi fisik dari sinar matahari menjadi energi kimia, dan proses ini penting untuk pemeliharaan semua bentuk kehidupan di sini.
Fotosintesis dapat didefinisikan sebagai proses fisika/kimia dimana organisme fotosintetik mensintesis senyawa organik dari bahan mentah anorganik dengan adanya sinar matahari.
Proses fotosintesis tumbuhan terjadi di kloroplas dan menghasilkan pelepasan molekul oksigen dan penangkapan karbon dioksida dari atmosfer, yang digunakan untuk mensintesis karbohidrat, seperti yang kita lihat pada gambar di bawah.
Gambar 1. Diagram sederhana dari proses fotosintesis
Fotosintesis dapat diwakili oleh persamaan empiris berikut:
CO2 + H2O + Energi Cahaya =====> [CH2O] + O2 + H2O
di mana [CH2O] mewakili karbohidrat (gula). Sintesis karbohidrat dari karbon dioksida dan air membutuhkan masukan energi yang besar. Energi bebas untuk mereduksi satu mol CO2 menjadi kadar glukosa adalah 478 kJ mol-1.
Fotosintesis adalah proses yang sangat kompleks yang mencakup banyak reaksi fisik dan kimia yang terjadi secara terkoordinasi dalam sistem protein, pigmen, dan senyawa terkait membran lainnya. Secara umum, proses fotosintesis dianalisis dalam dua tahap yang saling bergantung dan simultan.
1 – Tahap fotokimia, sebelumnya disebut “fase terang” dan
2 – Tahap kimia, juga dikenal sebagai siklus fotosintesis reduktif karbon, sebelumnya disebut “fase gelap”
Cahaya, sumber energi utama dalam fotosintesis, adalah bagian dari radiasi elektromagnetik yang terlihat oleh mata manusia. “Cahaya tampak” memiliki panjang gelombang mulai dari ungu, sekitar 380nm, hingga merah, pada 700nm. Pinggiran spektrum radiasi elektromagnetik ini juga disebut radiasi fotosintesis aktif, yang kita lihat pada gambar di bawah ini
Gambar 3 . Spektrum radiasi fotosintesis aktif
Pada tahun 1900 Planck menyatakan teori kuantum, yang menyatakan bahwa radiasi elektromagnetik dipancarkan atau diserap dalam “satuan” energi yang disebut kuanta . Secara matematis energi kuantum radiasi dapat dinyatakan dengan E = hv , di mana E adalah energi kuantum tunggal radiasi v adalah frekuensi radiasi (frekuensi dan jumlah gelombang yang ditransmisikan dalam satuan waktu) dan h adalah konstanta Planck (6,625 x 10 -34 J.s ). Frekuensi v sama dengan c /, di mana c adalah kecepatan cahaya (3 x 108 m. S -1 ) dan adalah panjang gelombang.
Energi cahaya memiliki sifat khusus dan seperti gelombang. Cahaya ditransmisikan dalam bentuk gelombang atau diserap dan/atau dipancarkan dalam partikel yang disebut “foton” dengan energi yang berbanding terbalik dengan panjang gelombang.
Dengan demikian, foton cahaya biru dengan panjang gelombang pendek lebih energik daripada foton cahaya merah dengan panjang gelombang lebih panjang. Agar fotosintesis terjadi, pigmen fotosintesis (klorofil) harus menyerap energi foton dengan panjang gelombang tertentu dan kemudian menggunakan energi itu untuk memulai rantai peristiwa dalam fase fotokimia fotosintesis.
Menurut hukum Einstein kesetaraan fotokimia, molekul tidak akan bereaksi setelah menyerap energi dari foton (h v ). Akibatnya, satu mol klorofil harus menyerap 6,024 x 10 23 ( N ) foton energi, yaitu Nh v untuk memulai reaksi. Satu mol cahaya merah 700 nm mengandung 17,10 x 10 4 J untuk setiap mol, sedangkan satu mol cahaya biru mengandung 23,93 x 10 4 J.