- Struktura
- Cząsteczka
- Oddziaływania molekularne
- Czysty kwas węglowy
- Nieruchomości
- Synteza
- Rozpuszczenie
- Równowaga ciecz-para
- Czyste ciało stałe
- Aplikacje
- Ryzyka
- Bibliografia
Kwas węglowy jest nieorganiczny związek, choć w rzeczywistości nieco dyskusja organiczny, wzór chemiczny H 2 CO 3 . Jest to zatem kwas diprotyczny, zdolny do oddawania dwóch jonów H + do środowiska wodnego w celu wytworzenia dwóch kationów molekularnych H 3 O + . Powstają z niego dobrze znane jony wodorowęglanowe (HCO 3 - ) i węglanowe (CO 3 2- ).
Ten specyficzny kwas, prosty, ale jednocześnie zaangażowany w układy, w których wiele gatunków uczestniczy w równowadze ciecz-para, jest utworzony z dwóch podstawowych cząsteczek nieorganicznych: wody i dwutlenku węgla. Obecność nierozpuszczonego CO 2 jest obserwowana, gdy w wodzie pojawiają się bąbelki, unoszące się w kierunku powierzchni.
Szklanka z wodą gazowaną, jeden z najpopularniejszych napojów zawierających kwas węglowy. Źródło: Pxhere.
Zjawisko to występuje bardzo regularnie w napojach gazowanych i wodzie gazowanej.
W przypadku wody gazowanej lub napowietrzonej (górna ilustracja) rozpuszcza się taka ilość CO 2 , że jej prężność par jest ponad dwukrotnie większa niż ciśnienie atmosferyczne. Podczas odsklepiania różnica ciśnień wewnątrz butelki i na zewnątrz zmniejsza rozpuszczalność CO 2 , dlatego pojawiają się bąbelki, które ostatecznie uciekają z cieczy.
W mniejszym stopniu to samo dzieje się w każdym zbiorniku wody słodkiej lub słonej: po podgrzaniu uwolnią rozpuszczoną zawartość CO 2 .
Jednak CO 2 jest nie tylko rozpuszczany, ale ulega przemianom w swojej cząsteczce, które zamieniają go w H 2 CO 3 ; kwas, który ma zbyt krótki czas życia, ale wystarczający, aby zaznaczyć mierzalną zmianę pH jego wodnego rozpuszczalnika, a także wygenerować unikalny system buforu węglanowego.
Struktura
Cząsteczka
Cząsteczka kwasu węglowego reprezentowana przez model sfer i słupków. Źródło: Jynto i Ben Mills za pośrednictwem Wikipedii.
Powyżej mamy cząsteczkę H 2 CO 3 , reprezentowaną przez kule i słupki. Czerwone kule odpowiadają atomom tlenu, czarne - atomom węgla, a białe - atomom wodoru.
Zauważ, że zaczynając od obrazka, możesz napisać inny prawidłowy wzór dla tego kwasu: CO (OH) 2 , gdzie CO staje się grupą karbonylową, C = O, połączoną z dwoma grupami hydroksylowymi OH. Ponieważ istnieją dwie grupy OH, które mogą przekazywać swoje atomy wodoru, obecnie wiadomo, skąd pochodzą jony H + uwalniane do środowiska.
Budowa molekularna kwasu węglowego.
Należy również zauważyć, że wzór CO (OH) 2 można zapisać jako OHCOOH; to znaczy typu RCOOH, gdzie R jest w tym przypadku grupą OH.
Z tego powodu, oprócz faktu, że cząsteczka składa się z atomów tlenu, wodoru i węgla, które są zbyt powszechne w chemii organicznej, niektórzy uważają, że kwas węglowy jest związkiem organicznym. Jednak w części poświęconej jej syntezie zostanie wyjaśnione, dlaczego inni uważają go za nieorganiczny i nieorganiczny z natury.
Oddziaływania molekularne
W przypadku cząsteczki H 2 CO 3 można zauważyć, że jej geometria jest płaszczyzną trygonalną, a węgiel znajduje się w środku trójkąta. W dwóch swoich wierzchołkach ma grupy OH, które są donorami wiązań wodorowych; aw drugiej pozostałym atom tlenu z grupy C = O, akceptor wiązań wodorowych.
Zatem H 2 CO 3 ma silną tendencję do interakcji z rozpuszczalnikami protonowymi lub natlenionymi (i azotowymi).
I przypadkowo woda spełnia te dwie cechy, a powinowactwo H 2 CO 3 do niej jest takie, że prawie natychmiast oddaje H + i zaczyna się ustalać równowaga hydrolizy, która obejmuje gatunki HCO 3 - i H 3 O + .
Dlatego sama obecność wody powoduje rozkład kwasu węglowego i utrudnia wyodrębnienie go jako czystego związku.
Czysty kwas węglowy
Wracając do cząsteczki H 2 CO 3 , jest ona nie tylko płaska, zdolna do tworzenia wiązań wodorowych, ale może również wykazywać izomię cis-trans; Oznacza to, że na obrazie mamy izomer cis, z dwoma H skierowanymi w tym samym kierunku, podczas gdy w izomerze trans wskazywałyby one w przeciwnych kierunkach.
Izomer cis jest trwalszy z tych dwóch i dlatego jest jedynym zwykle reprezentowanym.
Czyste ciało stałe H 2 CO 3 składa się z krystalicznej struktury złożonej z warstw lub arkuszy cząsteczek oddziałujących z bocznymi wiązaniami wodorowymi. Należy się tego spodziewać, ponieważ cząsteczka H 2 CO 3 jest płaska i trójkątna. Kiedy sublimuje, pojawiają się cykliczne dimery (H 2 CO 3 ) 2 , które są połączone dwoma wiązaniami wodorowymi C = O-OH.
Symetria kryształów H 2 CO 3 nie została na razie określona. Uważano, że krystalizuje jako dwa polimorfy: α-H 2 CO 3 i β-H 2 CO 3 . Jednak α-H 2 CO 3 , syntetyzowany z mieszaniny CH 3 COOH-CO 2 , okazał się w rzeczywistości CH 3 OCOOH: estrem monometylowym kwasu węglowego.
Nieruchomości
Wspomniano, że H 2 CO 3 jest kwasem diprotycznym, więc może oddać dwa jony H + do ośrodka, który je przyjmuje. Gdy tym ośrodkiem jest woda, równania jego dysocjacji lub hydrolizy są następujące:
H 2 CO 3 (aq) + H 2 O (l) <=> HCO 3 - (aq) + H 3 O + (aq) (Ka 1 = 2,5 × 10 −4 )
HCO 3 - (aq) + H 2 O (l) <=> CO 3 2- (aq) + H 3 O + (aq) (Ka 2 = 4,69 × 10 −11 )
HCO 3 - to anion wodorowęglanowy lub wodorowęglanowy, a CO 3 2 - anion węglanowy. Wskazano również ich odpowiednie stałe równowagi, Ka 1 i Ka 2 . Ponieważ Ka 2 jest pięć milionów razy mniejsza niż Ka 1 , tworzenie i stężenie CO 3 2- są pomijalne.
Tak więc, nawet jeśli jest to kwas diprotyczny, drugi H + ledwo może go znacznie uwolnić. Jednak obecność rozpuszczonego CO 2 w dużych ilościach wystarczy do zakwaszenia podłoża; w tym przypadku wodę, obniżając jej pH (poniżej 7).
Mówiąc o kwasie węglowym, należy praktycznie odnosić się do roztworu wodnego, w którym dominują rodzaje HCO 3 - i H 3 O + ; nie można go wyizolować konwencjonalnymi metodami, ponieważ najmniejsza próba spowodowałaby przesunięcie równowagi rozpuszczalności CO 2 na tworzenie się pęcherzyków, które uciekałyby z wody.
Synteza
Rozpuszczenie
Kwas węglowy jest jednym z najłatwiejszych do syntezy związków. W jaki sposób? Najprostszą metodą jest bąbelkowanie za pomocą słomki lub słomki powietrza, które wydychamy, do objętości wody. Ponieważ zasadniczo wydychamy CO 2 , będzie on wchłaniał się w wodę, rozpuszczając niewielką jego część.
Kiedy to robimy, zachodzi następująca reakcja:
CO 2 (g) + H 2 O (l) <=> H 2 CO 3 (aq)
Ale z kolei należy wziąć pod uwagę rozpuszczalność CO 2 w wodzie:
CO 2 (g) <=> CO 2 (aq)
Zarówno CO 2, jak i H 2 O są cząsteczkami nieorganicznymi, więc H 2 CO 3 jest z tego punktu widzenia nieorganiczny.
Równowaga ciecz-para
W rezultacie mamy układ równowagi, który jest silnie zależny od ciśnień parcjalnych CO 2 , a także temperatury cieczy.
Na przykład, jeśli ciśnienie CO 2 wzrośnie (w przypadku, gdy przedmuchamy powietrze z większą siłą przez słomkę), powstanie więcej H 2 CO 3 , a pH stanie się bardziej kwaśne; ponieważ pierwsza równowaga przesuwa się w prawo.
Z drugiej strony, jeśli podgrzejemy roztwór H 2 CO 3 , to rozpuszczalność CO 2 w wodzie spadnie, ponieważ jest to gaz, a równowaga przesunie się wtedy w lewo (będzie mniej H 2 CO 3 ). Podobnie będzie, jeśli spróbujemy zastosować próżnię: ucieknie CO 2 , a także cząsteczki wody, co ponownie przesunie równowagę w lewo.
Czyste ciało stałe
Powyższe pozwala na wyciągnięcie wniosku: z roztworu H 2 CO 3 nie ma możliwości syntezy tego kwasu w postaci czystej substancji stałej metodą konwencjonalną. Jednak już od lat 90. ubiegłego wieku jest to czynione począwszy od stałych mieszanin CO 2 i H 2 O.
Ta stała mieszanina 50% CO 2- H 2 O jest bombardowana protonami (rodzaj promieniowania kosmicznego), tak że żaden z dwóch składników nie ucieknie i nie powstanie H 2 CO 3 . W tym celu zastosowano również mieszaninę CH 3 OH-CO 2 (pamiętajmy o α-H 2 CO 3 ).
Inną metodą jest zrobienie tego samego, ale bezpośrednie użycie suchego lodu, nic więcej.
Spośród tych trzech metod naukowcy z NASA byli w stanie dojść do jednego wniosku: czysty kwas węglowy, stały lub gazowy, może istnieć w lodowych satelitach Jowisza, w marsjańskich lodowcach oraz w kometach, gdzie takie stałe mieszaniny są stale napromieniowywane. promieniami kosmicznymi.
Aplikacje
Sam kwas węglowy jest związkiem bezużytecznym. Z ich roztworów można jednak sporządzić roztwory buforowe oparte na parach HCO 3 - / CO 3 2- lub H 2 CO 3 / HCO 3 - .
Dzięki tym roztworom i działaniu enzymu anhydrazy węglanowej, obecnego w krwinkach czerwonych, CO 2 wytwarzany podczas oddychania może być transportowany z krwią do płuc, gdzie jest ostatecznie uwalniany do wydychania poza organizmem.
Bulgotanie CO 2 służy do nadania napojom bezalkoholowym przyjemnego i charakterystycznego wrażenia, jakie pozostawiają w gardle podczas ich picia.
Podobnie obecność H 2 CO 3 ma znaczenie geologiczne w tworzeniu wapiennych stalaktytów, ponieważ powoli je rozpuszcza, aż do powstania spiczastych zakończeń.
Z drugiej strony, jego roztwory można wykorzystać do przygotowania niektórych wodorowęglanów metali; chociaż w tym celu bardziej opłacalne i łatwiejsze jest bezpośrednie użycie soli wodorowęglanowej ( na przykład NaHCO 3 ).
Ryzyka
Kwas węglowy ma tak znikomy czas życia w normalnych warunkach (szacuje się na około 300 nanosekund), że jest praktycznie nieszkodliwy dla środowiska i istot żywych. Jednak, jak powiedziano wcześniej, nie oznacza to, że nie może wywołać niepokojącej zmiany pH wody oceanicznej, wpływając na faunę morską.
Z drugiej strony, prawdziwe „ryzyko” tkwi w spożyciu wody gazowanej, ponieważ ilość rozpuszczonego w nich CO 2 jest znacznie większa niż w zwykłej wodzie. Jednak, i znowu, nie ma badań, które wykazałyby, że picie wody gazowanej stanowi śmiertelne ryzyko; jeśli nawet zalecą go na post i walkę z niestrawnością.
Jedynym negatywnym efektem obserwowanym u pijących tę wodę jest uczucie sytości, gdy ich żołądki wypełniają się gazami. Poza tym (nie wspominając o napojach gazowanych, ponieważ składają się one z dużo więcej niż tylko kwasu węglowego), można powiedzieć, że ten związek w ogóle nie jest toksyczny.
Bibliografia
- Day, R., & Underwood, A. (1989). Quantitative Analytical Chemistry (wyd. Piąte). Sala PEARSON Prentice.
- Shiver & Atkins. (2008). Chemia nieorganiczna. (Czwarta edycja). Mc Graw Hill.
- Wikipedia. (2019). Kwas węglowy. Odzyskane z: en.wikipedia.org
- Danielle Reid. (2019). Kwas węglowy: tworzenie, struktura i równanie chemiczne - film. Badanie. Odzyskany z: study.com
- Götz Bucher & Wolfram Sander. (2014). Wyjaśnienie struktury kwasu węglowego. Vol. 346, wydanie 6209, str. 544-545. DOI: 10.1126 / science.1260117
- Lynn Yarris. (22 października 2014). Nowe spojrzenie na kwas węglowy w wodzie. Berkeley Lab. Odzyskane z: newscenter.lbl.gov
- Claudia Hammond. (14 września 2015). Czy woda gazowana naprawdę Ci szkodzi? Odzyskany z: bbc.com
- Jurgen Bernard. (2014). Stały i gazowy kwas węglowy. Instytut Chemii Fizycznej. Uniwersytet w Innsbrucku.