- Structura
- Moleculă
- Interacțiuni moleculare
- Acid carbonic pur
- Proprietăți
- Sinteză
- Dizolvare
- Echilibrul lichid-vapori
- Solid solid
- Aplicații
- riscuri
- Referințe
Acidul carbonic este un compus anorganic, deși unele dezbatere este de fapt organic, cu formula chimică H 2 CO 3 . Prin urmare, este un acid diprotic, capabil să doneze doi H + ioni în mediul apos pentru a genera două cationi moleculare H 3 O + . Din aceasta apar ionii bine-cunoscuți de bicarbonat (HCO 3 - ) și carbonat (CO 3 2- ).
Acest acid ciudat, simplu, dar în același timp implicat în sistemele în care numeroase specii participă la un echilibru lichid-vapori, este format din două molecule anorganice fundamentale: apa și dioxidul de carbon. Prezența de CO 2 nedizolvată este observată ori de câte ori există o balonare în apă, care se ridică spre suprafață.
Sticlă cu apă carbogazoasă, una dintre cele mai frecvente băuturi care conțin acid carbonic. Sursa: Pxhere.
Acest fenomen este văzut foarte regulat în băuturile carbogazoase și apa carbogazoasă.
În cazul apei carbogazoase sau aerate (imaginea superioară), o astfel de cantitate de CO 2 s- a dizolvat încât presiunea sa de vapori este mai mult decât dublul decât presiunea atmosferică. La decapare, diferența de presiune din interiorul sticlei și exterior scade solubilitatea CO 2 , motiv pentru care apar bule care sfârșesc prin a scăpa de lichid.
Într-o măsură mai mică, același lucru se întâmplă în orice corp de apă dulce sau salină: atunci când sunt încălzite, își vor elibera conținutul de CO 2 dizolvat .
Cu toate acestea, CO 2 este nu numai dizolvat, ci este supusă la transformări în molecula sa , care transforma într - H 2 CO 3 ; un acid care are o durată de viață prea mică, dar suficient pentru a marca o modificare măsurabilă a pH-ului mediului său solvent solvent și care generează, de asemenea, un sistem unic de tampon carbonat.
Structura
Moleculă
Molecula de acid carbonic reprezentată de un model de sfere și bare. Sursa: Jynto și Ben Mills prin Wikipedia.
Deasupra avem molecula de H 2 CO 3 , reprezentată prin sfere și bare. Sferele roșii corespund atomilor de oxigen, negrul la atomul de carbon, iar albul la atomii de hidrogen.
Rețineți că, pornind de la imagine, puteți scrie o altă formulă valabilă pentru acest acid: CO (OH) 2 , unde CO devine gruparea carbonil, C = O, legată de două grupări hidroxil, OH. Deoarece există două grupuri OH, capabile să-și doneze atomii de hidrogen, acum se înțelege de unde provin ionii H + eliberați în mediu.
Structura moleculară a acidului carbonic.
De asemenea, rețineți că formula CO (OH) 2 poate fi scrisă ca OHCOOH; adică de tip RCOOH, unde R este în acest caz o grupare OH.
Din acest motiv, pe lângă faptul că molecula este formată din oxigen, hidrogen și atomi de carbon, prea des întâlnite în chimia organică, acidul carbonic este considerat de unii un compus organic. Cu toate acestea, în secțiunea de sinteză a acesteia, se va explica de ce alții consideră că este de natură anorganică și non-organică.
Interacțiuni moleculare
Dintre molecula H 2 CO 3 se poate comenta că geometria sa este planul trigonal, cu carbonul situat în centrul triunghiului. În două dintre vârfurile sale are grupuri OH, care sunt donatoare de legături de hidrogen; iar în celălalt rămas, un atom de oxigen din grupa C = O, acceptor al legăturilor de hidrogen.
Astfel, H 2 CO 3 are o puternică tendință de interacțiune cu solvenții protici sau oxigenati (și azotati).
Și coincidențial, apa îndeplinește aceste două caracteristici, iar afinitatea de H 2 CO 3 este astfel încât aproape imediat renunță la H + și începe să se stabilească un echilibru de hidroliză care implică speciile HCO 3 - și H 3 O. + .
De aceea, simpla prezență a apei descompune acidul carbonic și face prea dificilă izolarea acestuia ca un compus pur.
Acid carbonic pur
Revenind la molecula H 2 CO 3 , nu este numai plat, capabil să stabilească legături de hidrogen, dar poate prezenta și izomerism cis-trans; Acesta este, în imagine, avem izomerul cis, cu cele două H-uri îndreptate în aceeași direcție, în timp ce în izomerul trans ar indica în direcții opuse.
Izomerul cis este mai stabil dintre cele două și de aceea este singurul care este de obicei reprezentat.
Un solid pur de H 2 CO 3 constă într - o structură cristalină formată din straturi sau foi de molecule care interacționează cu legături de hidrogen laterale. Acest lucru este de așteptat, molecula de H 2 CO 3 fiind plană și triunghiulară. Când se sublimează, dimerii ciclici (H 2 CO 3 ) 2 apar , care sunt unite prin două legături de hidrogen C = O-OH.
Simetria cristalelor H 2 CO 3 nu a fost definită deocamdată. S-a considerat că cristalizează sub formă de doi polimorfi: α-H 2 CO 3 și β-H 2 CO 3 . Cu toate acestea, α-H 2 CO 3 , sintetizat dintr - un amestec de CH 3 COOH-CO 2 , sa dovedit a fi de fapt CH 3 OCOOH: un ester monometilic al acidului carbonic.
Proprietăți
S-a menționat că H 2 CO 3 este un acid diprotic, deci poate dona doi ioni H + unui mediu care le acceptă. Când acest mediu este apă, ecuațiile disocierii sau hidrolizei sunt:
H 2 CO 3 (aq) + H 2 O (l) <=> HCO 3 - (aq) + H 3 O + (aq) (Ka 1 = 2,5 x 10 -4 )
HCO 3 - (aq) + H 2 O (l) <=> CO 3 2- (aq) + H 3 O + (aq) (Ka 2 = 4.69 x 10 -11 )
HCO 3 - este anionul bicarbonat sau hidrogen carbonat, iar CO 3 2- anionul carbonat. Sunt indicate, de asemenea , constantele lor de echilibru, Ka 1 și Ka 2 . Deoarece Ka2 este de cinci milioane de ori mai mic decât Ka 1 , formarea și concentrația de CO 3 2- sunt neglijabile.
Astfel, chiar dacă este un acid diprotic, al doilea H + abia îl poate elibera apreciabil. Cu toate acestea, prezența CO 2 dizolvat în cantități mari este suficientă pentru a acidifica mediul; în acest caz, apa, scăzând valorile pH-ului (sub 7).
Pentru a vorbi de acid carbonic este să se refere , practic , la o soluție apoasă în care specia HCO 3 - și H 3 O + predomină ; acesta nu poate fi izolat prin metode convenționale, deoarece cea mai mică încercare ar muta echilibrul de solubilitate a CO 2 la formarea de bule care ar scăpa de apă.
Sinteză
Dizolvare
Acidul carbonic este unul dintre cei mai ușor compuși de sintetizat. Cum? Cea mai simplă metodă este să bulezi, cu ajutorul unei paie sau paie, aerul pe care îl expirăm într-un volum de apă. Deoarece exhalăm în esență CO 2 , acesta va bula în apă, dizolvând o mică parte din acesta.
Când facem acest lucru are loc următoarea reacție:
CO 2 (g) + H 2 O (l) <=> H 2 CO 3 (aq)
În schimb, solubilitatea CO 2 în apă trebuie luată în considerare :
CO 2 (g) <=> CO 2 (aq)
Atât CO 2 și H 2 O sunt molecule anorganice, deci H 2 CO 3 este anorganic din acest punct de vedere.
Echilibrul lichid-vapori
Drept urmare, avem un sistem de echilibru care depinde foarte mult de presiunile parțiale ale CO 2 , precum și de temperatura lichidului.
De exemplu, dacă presiunea CO 2 crește (în cazul în care ne sufla aerul cu mai multă forță prin pai), mai mult H 2 CO 3 va fi format și pH - ul va deveni mai acide; de atunci, primul echilibru trece la dreapta.
Pe de altă parte, dacă se încălzește H 2 CO 3 soluției , solubilitatea CO 2 în apă va scădea , deoarece este un gaz, iar echilibrul se va deplasa apoi spre stânga (vor fi mai puțin H 2 CO 3 ). Va fi similar dacă vom încerca să aplicăm un vid: CO 2 va scăpa ca și moleculele de apă, ceea ce ar muta din nou echilibrul spre stânga.
Solid solid
Cele de mai sus ne permit să ajungem la o concluzie: dintr-o soluție H 2 CO 3 nu există nicio modalitate de a sintetiza acest acid ca un solid pur printr-o metodă convențională. Cu toate acestea, a fost făcut, deoarece anii 90 ai secolului trecut, pornind de la amestecuri solide de CO 2 și H 2 O.
Acest amestec solid de 50% CO 2- H 2 O este bombardat cu protoni (un tip de radiații cosmice), astfel încât niciuna dintre cele două componente nu va scăpa și formarea de H 2 CO 3 . În acest scop, o CH 3 OH-CO 2 amestec a fost de asemenea utilizat (amintiți-α H 2 CO 3 ).
O altă metodă este de a face la fel, dar folosind direct gheață uscată, nimic mai mult.
Din cele trei metode, oamenii de știință NASA au reușit să ajungă la o concluzie: acidul carbonic pur, solid sau gazos, poate exista în sateliții glaciali ai lui Jupiter, în ghețarii marțieni și în comete, unde astfel de amestecuri solide sunt iradiate constant. de razele cosmice.
Aplicații
Acidul carbonic de la sine este un compus inutil. Totuși, din soluțiile lor, pot fi preparate soluții tampon bazate pe perechile HCO 3 - / CO 3 2- sau H 2 CO 3 / HCO 3 - .
Datorită acestor soluții și acțiunii enzimei carbonice anhidrasă, prezentă în globulele roșii, CO 2 produs în respirație poate fi transportat în sânge la plămâni, unde este eliberat în final pentru a fi expirat în afara corpului nostru.
Balonarea CO 2 este folosită pentru a oferi băuturilor răcoritoare senzația plăcută și caracteristică pe care o lasă în gât atunci când le bea.
De asemenea, prezența H 2 CO 3 are o importanță geologică în formarea stalactitelor calcaroase, deoarece le dizolvă încet până la producerea finisajelor lor ascuțite.
Și pe de altă parte, soluțiile sale pot fi utilizate pentru prepararea unor bicarbonate metalice; deși pentru aceasta este mai profitabil și mai ușor să folosești direct o sare bicarbonatată ( de exemplu, NaHCO 3 ).
riscuri
Acidul carbonic are un timp de viață atât de neglijabil în condiții normale (estimează aproximativ 300 nanosecunde) încât este practic inofensiv pentru mediu și ființele vii. Cu toate acestea, așa cum s-a spus anterior, aceasta nu implică faptul că nu poate genera o schimbare îngrijorătoare a pH-ului apei oceanice, afectând fauna marină.
Pe de altă parte, adevăratul „risc” se regăsește în aportul de apă carbogazoasă, deoarece cantitatea de CO 2 dizolvată în ele este mult mai mare decât în apa normală. Cu toate acestea, și din nou, nu există studii care să arate că consumul de apă carbogazoasă prezintă un risc fatal; dacă chiar o recomandă să facă rapid și să combată indigestia.
Singurul efect negativ observat la cei care beau această apă este senzația de plinătate, deoarece stomacul lor se umple cu gaze. În afara acestui lucru (ca să nu mai vorbim de sodă, deoarece acestea sunt formate din mult mai mult decât doar acid carbonic), se poate spune că acest compus nu este deloc toxic.
Referințe
- Day, R., & Underwood, A. (1989). Chimie analitică cantitativă (ediția a cincea). PEARSON Sala Prentice.
- Shiver & Atkins. (2008). Chimie anorganică. (A patra editie). Mc Graw Hill.
- Wikipedia. (2019). Acid carbonic. Recuperat de la: en.wikipedia.org
- Danielle Reid. (2019). Acid carbonic: video de formare, structură și ecuație chimică. Studiu. Recuperat din: studiu.com
- Götz Bucher & Wolfram Sander. (2014). Clarificarea structurii acidului carbonic. Vol. 346, Ediția 6209, p. 544-545. DOI: 10.1126 / știință.1260117
- Lynn Yarris. (22 octombrie 2014). Noi perspective asupra acidului carbonic în apă. Berkeley Lab. Recuperat de la: newscenter.lbl.gov
- Claudia Hammond. (2015, 14 septembrie). Apa spumantă este cu adevărat proastă pentru tine? Recuperat de pe: bbc.com
- Jurgen Bernard. (2014). Acid carbonic solid și gazos. Institutul de Chimie Fizică. Universitatea din Innsbruck.