- estructura
- molècula
- interaccions moleculars
- Àcid carbònic pur
- propietats
- síntesi
- dissolució
- Equilibri líquid-vapor
- sòlid pur
- usos
- Riscos
- referències
L' àcid carbònic és un compost inorgànic, tot i que hi ha qui debaten que en realitat és orgànic, la fórmula química és H 2 CO 3. És doncs un àcid diprótico, capaç de donar dos ions H + a el medi aquós per generar dos cations moleculars H 3 O +. D'ell sorgeixen els coneguts ions bicarbonat (HCO 3 -) i carbonat (CO 3 2-).
Aquest àcid peculiar, simple, però alhora involucrat en sistemes on participen nombroses espècies en un equilibri líquid-vapor, es forma a partir de dues molècules inorgàniques fonamentals: l'aigua i el diòxid de carboni. La presència de l'CO 2 no dissolt s'observa sempre que hi hagi un bombolleig a l'aigua, ascendint cap a la superfície.
Got amb aigua gasificada, una de les begudes més comunes que contenen l'àcid carbònic. Font: Pxhere.
Dit fenomen s'aprecia amb molta regularitat en les begudes gasoses i l'aigua carbonatada.
En el cas de l'aigua carbonatada o gasificada (imatge superior), s'ha dissolt una quantitat tal de CO 2 que la seva pressió de vapor és més del doble que la pressió atmosfèrica. A l'destapar-la, la diferència de pressió dins de l'ampolla i l'exterior disminueix la solubilitat de l'CO 2, de manera que apareixen les bombolles que acaben escapant de el líquid.
En menor grau passa el mateix en qualsevol massa d'aigua dolça o salina: a l'escalfar-alliberaran el seu contingut dissolt de CO 2.
No obstant això, el CO 2 no es troba només dissolt, sinó que pateix transformacions en la seva molècula que el converteixen en l'H 2 CO 3; un àcid que té un temps de vida massa ínfim, però prou per marcar un canvi mesurable en el pH del seu medi dissolvent aquós, i generar més un sistema buffer únic de carbonats.
estructura
molècula
Molècula de l'àcid carbònic representada amb un model d'esferes i barres. Font: Jynto and Ben Mills via Wikipedia.
A dalt tenim la molècula d'l'H 2 CO 3, representada amb esferes i barres. Les esferes vermelles corresponen als àtoms d'oxigen, la negra a l'àtom de carboni, i les blanques als àtoms d'hidrogen.
Cal notar que partint de la imatge es pot escriure una altra fórmula vàlida per aquest àcid: CO (OH) 2, on CO ve a ser el grup carbonil, C = O, enllaçat a dos grups hidroxil, OH. A l'haver-hi dos grups OH, capaços de donar els seus àtoms d'hidrogen, s'entén ara d'on provenen els ions H + alliberats a l'mig.
Estructura molecular de l'àcid carbònic.
Cal notar també que la fórmula CO (OH) 2 es pot escriure com OHCOOH; és a dir, de l'tipus RCOOH, on R ve a ser en aquest cas un grup OH.
És per aquesta raó, a més que la molècula es compon d'àtoms d'oxigen, hidrogen i carboni, massa comuns en química orgànica, que a l'àcid carbònic és considerat per alguns com un compost orgànic. No obstant això, en l'apartat de la seva síntesi s'explicarà per què altres la consideren de naturalesa inorgànica i no orgànica.
interaccions moleculars
De la molècula H 2 CO 3 pot comentar-se que la seva geometria és pla trigonal, amb el carboni situat al centre de el triangle. En dos dels seus vèrtexs posseeix els grups OH, els quals són donadors de ponts d'hidrogen; i en l'altre restant, un àtom d'oxigen de el grup C = O, acceptor de ponts d'hidrogen.
Així doncs, l'H 2 CO 3 té una forta tendència a interaccionar amb solvents próticos o oxigenats (i nitrogenats també).
I casualment, l'aigua compleix amb aquestes dues característiques, i és tal l'afinitat de l'H 2 CO 3 per ella que gairebé immediatament li cedeix un H + i comença a establir-se un equilibri d'hidròlisi que involucra les espècies HCO 3 - i H 3 O +.
És per això que la simple presència d'l'aigua descompon l'àcid carbònic i fa massa complicat seu aïllament com a compost pur.
Àcid carbònic pur
Tornant a la molècula d'H 2 CO 3, no només és plana, capaç d'establir ponts d'hidrogen, sinó que a més pot presentar isomeria cis-trans; aquesta és, en la imatge tenim a l'isòmer cis, amb els dos H apuntant en la mateixa direcció, mentre que en l'isòmer trans apuntarien en direccions oposades.
L'isòmer cis és el més estable de tots dos, i és per això que és l'únic que usualment es representa.
Un sòlid pur d'H 2 CO 3 consisteix d'una estructura cristal·lina composta per capes o fulls de molècules interaccionant amb ponts d'hidrogen laterals. Això és d'esperar, sent la molècula H 2 CO 3 plana i triangular. Quan sublima, apareixen dímers cíclics (H 2 CO 3) 2, els quals s'uneixen mitjançant dos ponts d'hidrogen C = O - OH.
La simetria dels cristalls de l'H 2 CO 3 no ha pogut definir-se pels moments. Es va considerar que cristal·litzava com dos polimorfs: α-H 2 CO 3 i β- H 2 CO 3. No obstant això, el α-H 2 CO 3, sintetitzat partint d'una barreja de CH 3 COOH-CO 2, es va demostrar que era en realitat CH 3 OCOOH: un ester monometílico de l'àcid carbònic.
propietats
Es va fer esment que l'H 2 CO 3 és un àcid diprótico, de manera que pot donar dos ions H + a un mitjà que els accepti. Quan aquest mitjà és l'aigua, les equacions de la seva dissociació o hidròlisi són:
H 2 CO 3 (ac) + H 2 O (l) <=> HCO 3 - (aq) + H 3 O + (ac) (Ka 1 = 2,5 × 10 -4)
HCO 3 - (aq) + H 2 O (l) <=> CO 3 2- (ac) + H 3 O + (ac) (Ka 2 = 4,69 × 10 -11)
El HCO 3 - és l'anió bicarbonat o hidrogencarbonat, i el CO 3 2- l'anió carbonat. S'indiquen a més les seves respectives constants d'equilibri, Ka 1 i Ka 2. A l'ésser Ka 2 cinc milions de vegades més petita que Ka 1, la formació i concentració de l'CO 3 2- són menyspreables.
Així doncs, encara que sigui un àcid diprótico, el segon H + amb prou feines pot alliberar-lo de manera apreciable. No obstant això, la presència de l'CO 2 dissolt en grans quantitats n'hi ha prou per acidificar el medi; en aquest cas, l'aigua, baixant els seus valors de pH (per sota de 7).
Parlar de l'àcid carbònic és referir pràcticament a una dissolució aquosa on predominen les espècies HCO 3 - i H 3 O +; no pot aïllar-se per mètodes convencionals, ja que el menor intent desplaçaria l'equilibri de solubilitat de l'CO 2 a la formació de bombolles que escaparien de l'aigua.
síntesi
dissolució
L'àcid carbònic és un dels compostos més fàcils de sintetitzar. Com? El mètode més simple consisteix en bombollejar, amb ajuda d'una palleta o sorbet, l'aire que exhalem dins d'un volum d'aigua. A causa de que exhalem en essència CO 2, aquest burbujeará a l'aigua, dissolent una petita fracció de la mateixa.
Quan fem això ocorre la següent reacció:
CO 2 (g) + H 2 O (l) <=> H 2 CO 3 (ac)
Però al seu torn, s'ha de considerar la solubilitat de l'CO 2 en l'aigua:
CO 2 (g) <=> CO 2 (ac)
Tant el CO 2 com l'H 2 O són molècules inorgàniques, de manera que l'H 2 CO 3 és inorgànic des d'aquest punt vist.
Equilibri líquid-vapor
Com a resultat tenim un sistema en equilibri que depèn enormement de les pressions parcials de CO 2, així com de la temperatura de el líquid.
Per exemple, si la pressió de l'CO 2 s'incrementa (en el cas que bufem l'aire amb més força a través del sorbet), es formarà més H 2 CO 3 i el pH es tornarà més àcid; ja que, el primer equilibri es desplaça a la dreta.
D'altra banda, si escalfem la dissolució de H 2 CO 3, disminuirà la solubilitat de l'CO 2 en l'aigua per ser un gas, i l'equilibri es desplaçarà llavors a l'esquerra (hi haurà menys H 2 CO 3). Similar serà si intentem aplicar un buit: el CO 2 escaparà a l'igual que les molècules d'aigua, les quals tornarien a desplaçar l'equilibri cap a l'esquerra.
sòlid pur
L'anterior permet arribar a una conclusió: a partir d'una dissolució de H 2 CO 3 no hi ha manera de sintetitzar aquest àcid com un sòlid pur mitjançant un mètode convencional. No obstant això, sí que s'ha fet, des de la dècada dels 90 de segle passat, partint de mescles sòlides de CO 2 i H 2 O.
A aquesta barreja sòlida CO 2 -H 2 O a el 50% es la bombardeja amb protons (un tipus de radiació còsmica), de manera que cap dels dos components escaparà i ocorre la formació de l'H 2 CO 3. Per a aquest propòsit també s'ha utilitzat una barreja CH 3 OH-CO 2 (recordar el α-H 2 CO 3).
Un altre mètode consisteix a fer el mateix però utilitzant directament gel sec, res més.
Dels tres mètodes els científics de la NASA van poder arribar a una conclusió: l'àcid carbònic pur, sòlid o gasós, pot existir en els satèl·lits gelats de Júpiter, a les glaceres marcians, i en els estels, on tals barreges sòlides són constantment irradiades pels raigs còsmics.
usos
L'àcid carbònic per si mateix és un compost sense cap utilitat. De les seves dissolucions, però, es poden preparar solucions amortidores basades en els parells HCO 3 - / CO 3 2- o H 2 CO 3 / HCO 3 -.
Gràcies a aquestes dissolucions ia l'acció de l'enzim anhidrasa carbònica, present en els glòbuls vermells, el CO 2 produït en la respiració pot transportar-se en la sang fins als pulmons, on s'allibera finalment per a ser exhalat fora del nostre organisme.
El bombolleig de el CO 2 s'aprofita per dotar-lo a les begudes gasoses la sensació agradable i característica que deixen a la gola a l'beure-.
Així mateix, la presència de l'H 2 CO 3 té importància geològica en la formació de les estalactites de pedra calcària, ja que les dissol lentament fins a originar els seus acabats punxeguts.
I d'altra banda, les seves dissolucions poden utilitzar-se per preparar alguns bicarbonats metàl·lics; encara que per a això sigui més rendible i fàcil emprar directament una sal de bicarbonat (NaHCO 3, per exemple).
Riscos
L'àcid carbònic té un temps de vida tan ínfim en condicions normals (estimen que al voltant d'uns 300 nanosegons), que pràcticament és inofensiu per al medi ambient i els éssers vius. No obstant això, com es va dir abans, això no implica que no pugui generar un canvi preocupant en el pH de l'aigua dels oceans, afectant la fauna marina.
D'altra banda, el veritable "risc" es troba en la ingesta d'aigua gasificada, ja que la quantitat de CO 2 dissolta en elles és molt més gran que en l'aigua normal. No obstant això, i novament, no hi ha estudis que hagin demostrat que beure aigua gasificada representi un risc mortal; si inclusivament la recomanen per dejunar i combatre la indigestió.
L'únic efecte negatiu observat en els que beuen d'aquesta aigua és la sensació de plenitud, ja que els seus estómacs s'omplen de gasos. Fora d'això (sense esmentar els refrescos, ja que es componen de molt més que només àcid carbònic), es pot dir que aquest compost no és tòxic en l'absolut.
referències
- Day, R., & Underwood, A. (1989). Química Analítica Quantitativa (cinquena ed.). PEARSON Prentice Hall.
- Shiver & Atkins. (2008). Química Inorgànica. (Quarta edició). Mc Graw Hill.
- Wikipedia. (2019). Carbonic acid. Recuperat de: en.wikipedia.org
- Danielle Reid. (2019). Carbonic Acid: Formation, Structure & Chemical Equation Video. Study. Recuperat de: study.com
- Götz Bucher & Wolfram Sander. (2014). Clarifying the structure of carbonic acid. Vol. 346, Issue 6209, pp. 544-545. DOI: 10.1126 / science.1260117
- Lynn Yarris. (22 d'octubre de 2014). New Insights on Carbonic Acid in Water. Berkeley Lab. Recuperat de: newscenter.lbl.gov
- Claudia Hammond. (14 de setembre de 2015). Is sparkling water really bad for you? Recuperat de: bbc.com
- Jürgen Bernard. (2014). Solid and gaseous carbonic acid. Institute of Physical Chemistry. University of Innsbruck.