ВЪГЛЕРОДНА КИСЕЛИНА (H2CO3): СТРУКТУРА, СВОЙСТВА, СИНТЕЗ, ПРИЛОЖЕНИЯ - ХИМИЯ - 2025

На карбонова киселина е неорганично съединение, въпреки че някои разискване всъщност е органична, химическата формула H ₂ CO ₃. Следователно е дипротична киселина, способна на даряване два H ⁺ йони към водната среда за генериране на два молекулни катиони Н ₃ О ⁺. От него произлизат добре познатите бикарбонатни (HCO ₃ ^-) и карбонатни (CO ₃ ^2-) йони.

Тази своеобразна киселина, проста, но в същото време участва в системи, в които много видове участват в баланс течност-пара, се формира от две основни неорганични молекули: вода и въглероден диоксид. Наличието на неразтворен CO ₂ се наблюдава винаги, когато във водата има барбот, издигащ се към повърхността.

Чаша с газирана вода, една от най-разпространените напитки, които съдържат въглеродна киселина. Източник: Pxhere.

Това явление се наблюдава много редовно в газирани напитки и газирана вода.

В случай на газирана или газирана вода (горно изображение) такова количество CO _{2 се} е разтворило, че налягането му на пара е повече от двойно това на атмосферното налягане. При отпушването му разликата в налягането вътре в бутилката и отвън намалява разтворимостта на CO ₂, поради което се появяват мехурчета, които накрая изтичат от течността.

В по-малка степен същото се случва във всяко тяло с прясна или солена вода: при нагряване те ще отделят разтвореното си съдържание на CO ₂.

Въпреки това, CO ₂ не само се разтваря, но претърпява трансформации в молекулата си, които го превръщат в H ₂ CO ₃; киселина, която има твърде малко време на живот, но достатъчно, за да отбележи измерима промяна в рН на нейната водна разтворителна среда, а също така да генерира уникална карбонатна буферна система.

структура

молекула

Молекула на въглеродна киселина, представена от модел на сфери и пръти. Източник: Jynto и Ben Mills чрез Wikipedia.

Отгоре имаме молекулата H ₂ CO ₃, представена от сфери и пръти. Червените сфери съответстват на кислородните атоми, черните на въглеродния атом, а белите на водородните атоми.

Обърнете внимание, че започвайки от изображението, можете да напишете друга валидна формула за тази киселина: CO (OH) ₂, където CO се превръща в карбонилна група, C = O, свързана с две хидроксилни групи, OH. Тъй като има две ОН групи, способни да дарят своите водородни атоми, сега се разбира откъде идват Н ⁺ йони, освободени в околната среда.

Молекулна структура на въглеродна киселина.

Също така имайте предвид, че формулата CO (OH) ₂ може да бъде написана като OHCOOH; тоест от типа RCOOH, където R в този случай е OH група.

Поради тази причина, в допълнение към факта, че молекулата е изградена от кислород, водород и въглеродни атоми, твърде често срещани в органичната химия, въглеродната киселина се счита от някои за органично съединение. Въпреки това, в раздела за синтеза му ще бъде обяснено защо други го смятат за неорганичен и неорганичен по своята същност.

Молекулярни взаимодействия

От молекулата H ₂ CO _{3 може} да се коментира, че нейната геометрия е триъгълна равнина, като въглеродът е разположен в центъра на триъгълника. В две от върховете си има ОН групи, които са донори на водородна връзка; и в останалия остатък кислороден атом от групата С = О, акцептор на водородни връзки.

По този начин, H ₂ CO ₃ има силна тенденция да взаимодейства с протични или оксигенирани (и азотни) разтворители.

И случайно, водата отговаря на тези две характеристики и афинитетът на H ₂ CO ₃ към нея е такъв, че почти веднага тя се отказва с Н ⁺ и започва да се установява хидролизно равновесие, което включва видовете HCO ₃ ^- и H ₃ O ⁺.

Ето защо самото присъствие на вода разгражда въглеродната киселина и прави твърде трудно да се изолира като чисто съединение.

Чиста въглеродна киселина

Връщайки се към Н на ₂ CO ₃ молекулата, не е само плоски, може да се установи водородни връзки, но може също да присъстват цис-транс изомерия; Това е, на изображението имаме цис изомера, като двата Н са насочени в една и съща посока, докато в транс изомера биха посочили в противоположни посоки.

Цис изомерът е по-стабилният от двата и затова е единственият, който обикновено е представен.

А чисто твърдо вещество от Н ₂ CO ₃ се състои от кристална структура, съставена от слоеве или листове от молекули, взаимодействащи със странични водородни връзки. Това може да се очаква, като молекулата H ₂ CO ₃ е плоска и триъгълна. Когато той сублимира, се _{появяват} циклични димери (H ₂ CO ₃) ₂, които са съединени от две водородни връзки C = O-OH.

Симетрията на кристалите на H ₂ CO ₃ не е определена за момента. Счита се, че кристализира като два полиморфа: α-H ₂ CO ₃ и β-H ₂ CO ₃. Въпреки това, α-H ₂ CO ₃, синтезирани от смес от CH ₃ COOH-CO ₂, е показано, че всъщност СН ₃ OCOOH: на монометилов естер на карбонова киселина.

Имоти

Беше споменато, че H ₂ CO ₃ е дипротична киселина, така че може да дари два H ⁺ йони в среда, която ги приема. Когато тази среда е вода, уравненията на нейната дисоциация или хидролиза са:

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 ^- е анионът на бикарбонат или хидроген карбонат, а CO ₃ ^2- карбонатният анион. Съответните им константи на равновесие, Ka ₁ и Ka _{2, също са посочени}. Тъй като Ka2 _е пет милиона пъти по-малък от Ka ₁, образуването и концентрацията на CO ₃ ^2- са незначителни.

По този начин, въпреки че е дипротенова киселина, вторият Н ⁺ едва може да я освободи значително. Присъствието на разтворен CO ₂ в големи количества обаче е достатъчно за подкисляване на средата; в този случай вода, понижаваща нейните стойности на pH (под 7).

Да се ​​говори за въглеродна киселина означава практически да се отнася до воден разтвор, където преобладават видовете HCO ₃ ^- и H ₃ O ⁺; тя не може да бъде изолирана чрез конвенционални методи, тъй като най-малкият опит би изместил баланса на разтворимост на CO ₂ до образуването на мехурчета, които ще избягат от водата.

синтез

Разтваряне

Въглеродната киселина е едно от най-лесните съединения за синтез. Как? Най-простият метод е да балон, с помощта на сламка или сламка, въздухът, който издишваме в обем вода. Тъй като по същество издишваме CO ₂, той ще балонче във водата, разтваряйки малка част от него.

Когато правим това, възниква следната реакция:

CO ₂ (g) + H ₂ O (l) <=> H ₂ CO ₃ (aq)

Но от своя страна трябва да се вземе предвид разтворимостта на CO ₂ във вода:

CO ₂ (g) <=> CO ₂ (aq)

Както CO ₂ и H ₂ O са неорганични молекули, така H ₂ CO ₃ е неорганична от тази гледна точка.

Течно-пара равновесие

В резултат на това имаме равновесна система, която силно зависи от парциалните налягания на CO ₂, както и от температурата на течността.

Например, ако налягането на CO _{2 се} увеличи (в случай, че издухаме въздуха с по-голяма сила през сламата), ще се образуват повече H ₂ CO ₃ и pH ще стане по-кисел; тъй като първото равновесие се измества вдясно.

От друга страна, ако нагреем разтвора на H ₂ CO ₃, разтворимостта на CO ₂ във вода ще намалее, тъй като е газ и равновесието ще се измести наляво (ще бъде по-малко H ₂ CO ₃). Ще бъде подобно, ако се опитаме да приложим вакуум: CO ₂ ще излезе, както и водните молекули, които отново ще изместят баланса вляво.

Чисто твърдо

Горното ни позволява да достигнем до заключение: от разтвор на H ₂ CO ₃ няма начин да се синтезира тази киселина като чисто твърдо вещество по конвенционален метод. Това обаче се прави от 90-те години на миналия век, като се започне от твърди смеси на CO ₂ и H ₂ O.

Това твърдо вещество смес от 50% СО ₂ -Н ₂ О е бомбардирани с протони (тип космическа радиация), така че нито един от двата компонента ще избяга и образуването на Н ₂ CO ₃ случва. За тази цел, СН на ₃ ОН-CO ₂ смес също се използва (помни α-H ₂ CO ₃).

Друг метод е да направите същото, но да използвате директно сух лед, нищо повече.

От трите метода учените от НАСА успяха да достигнат до едно заключение: чиста въглеродна киселина, твърда или газообразна, може да съществува в ледените спътници на Юпитер, в марсианските ледници и в кометите, където такива твърди смеси непрекъснато се облъчват. от космически лъчи.

Приложения

Въглеродната киселина сама по себе си е безполезно съединение. От техните разтвори обаче могат да се получат буферни разтвори на базата на двойките HCO ₃ ^- / CO ₃ ^2- или H ₂ CO ₃ / HCO ₃ ^-.

Благодарение на тези разтвори и действието на ензима въглеродна анхидраза, присъстващ в червените кръвни клетки, CO _2, произведен при дишане, може да се транспортира в кръвта до белите дробове, където най-накрая се освобождава, за да бъде издишан извън тялото ни.

Мехурчеството на CO ₂ се използва за даване на безалкохолни напитки приятното и характерно усещане, което оставят в гърлото, когато ги пият.

По същия начин, присъствието на H ₂ CO ₃ има геоложки значение за образуването на варовикови сталактити, тъй като бавно ги разтваря, докато не получат заострените си финиши.

И от друга страна, неговите разтвори могат да се използват за приготвяне на някои метални бикарбонати; въпреки че за това е по-изгодно и по-лесно да използвате директно сода бикарбонат (NaHCO ₃ например).

Рискове

Въглеродната киселина има такова пренебрежимо дълго време при нормални условия (оценяват около 300 наносекунди), че е практически безвредна за околната среда и живите същества. Както обаче беше казано по-рано, това не означава, че тя не може да генерира тревожна промяна в pH на океанската вода, засяга морската фауна.

От друга страна, истинският „риск“ се намира в приема на газирана вода, тъй като количеството на CO _2, разтворено в тях, е много по-голямо, отколкото в нормалната вода. Въпреки това и отново няма изследвания, които да показват, че пиенето на газирана вода представлява фатален риск; ако дори го препоръчват за бързо и борба с храносмилането.

Единственият отрицателен ефект, наблюдаван при тези, които пият тази вода, е усещането за пълнота, тъй като стомасите им се пълнят с газове. Извън това (да не говорим за содите, тъй като те са съставени от много повече от просто въглеродна киселина), може да се каже, че това съединение изобщо не е токсично.

Препратки

1. Day, R., & Underwood, A. (1989). Количествена аналитична химия (пето издание). PEARSON Prentice Hall.
2. Шивър и Аткинс. (2008 г.). Неорганична химия. (Четвърто издание). Mc Graw Hill.
3. Wikipedia. (2019). Карбонова киселина. Възстановено от: en.wikipedia.org
4. Даниел Рийд. (2019). Въглеродна киселина: видео, образуване, структура и химическо уравнение. Изследване. Възстановено от: study.com
5. Götz Bucher & Wolfram Sander. (2014). Изясняване на структурата на въглеродната киселина. Том 346, брой 6209, стр. 544-545. DOI: 10.1126 / наука.1260117
6. Лин Ярис. (22 октомври 2014 г.). Нови данни за въглеродната киселина във водата. Berkeley Lab. Възстановена от: newscenter.lbl.gov
7. Клавдия Хамънд. (2015 г., 14 септември). Искрящата вода наистина ли е лоша за вас? Възстановено от: bbc.com
8. Юрген Бернар. (2014). Твърда и газообразна въглеродна киселина. Институт по физическа химия. Университет в Инсбрук.