Acid carbonic - Carbonic acid

Formula structurala
Model cu minge și băț
Numele
Numele IUPAC
Acid carbonic
Alte nume
Acid hidroxformic Acid
hidroximetanoic
Dihidroxicarbonil
Identificatori
Model 3D ( JSmol )
ChEBI
ChEMBL
ChemSpider
DrugBank
ECHA InfoCard 100.133.015 Editați acest lucru la Wikidata
Numărul CE
25554
KEGG
  • InChI = 1S / CH2O3 / c2-1 (3) 4 / h (H2,2,3,4) VerificaDa
    Cheie: BVKZGUZCCUSVTD-UHFFFAOYSA-N VerificaDa
  • InChI = 1 / H2O3 / c2-1 (3) 4 / h (H2,2,3,4)
    Cheie: BVKZGUZCCUSVTD-UHFFFAOYAU
  • O = C (O) O
Proprietăți
H 2 CO 3
Punct de topire −80 ° C (−112 ° F; 193 K) (se descompune)
Conjugați baza Bicarbonat , carbonat
Cu excepția cazului în care se menționează altfel, datele sunt furnizate pentru materiale în starea lor standard (la 25 ° C [77 ° F], 100 kPa).
VerificaDa verifica  ( ce este   ?) VerificaDa☒N
Referințe infobox

În chimie, acidul carbonic este un acid dibazic cu formula chimică H 2 CO 3. Compusul pur se descompune la temperaturi mai mari de cca. −80 ° C.

În biochimie, denumirea de "acid carbonic" este adesea aplicată soluțiilor apoase de dioxid de carbon , care joacă un rol important în sistemul tampon bicarbonat , utilizat pentru menținerea homeostaziei acido-bazice .

Echilibrele chimice

Valorile constantei de echilibru

Grafic Bjerrum pentru speciația carbonatului în apa de mare (puterea ionică 0,7 mol dm −3 )

În soluție apoasă acidul carbonic se comportă ca un acid dibazic. Graficul Bjerrum prezintă concentrații tipice de echilibru, în soluție, în apa de mare , a dioxidului de carbon și a diferitelor specii derivate din acesta, în funcție de pH. Acidificarea apelor naturale este cauzată de creșterea concentrației de dioxid de carbon în atmosferă, cauzată de arderea cantităților în creștere de cărbune și hidrocarburi .

Schimbarea preconizată se referă la efectul prezis al acidificării continue a oceanului . S-a estimat că creșterea dioxidului de carbon dizolvat a determinat scăderea pH-ului mediu al suprafeței oceanului cu aproximativ 0,1 față de nivelurile preindustriale.

Baza de date a constantelor de stabilitate conține 136 de intrări cu valori pentru constantele de protonație globale , β 1 și β 2 , ale ionului carbonat. În următoarele expresii [H + ] reprezintă concentrația, la echilibru, a speciei chimice H + etc.

Valoarea log p 1 scade odată cu creșterea puterii ionice , . La 25 ° C:

 :
(date selectate din baza de date SC)

Valoarea log β 2 scade, de asemenea, odată cu creșterea puterii ionice.

 :

La = 0 și 25 ° C valorile pK ale constantelor de disociere în trepte sunt

pK 1 = logβ 2 - logβ 1 = 6,77.
pK 2 = logβ 1 = 9,93.

Când pH = pK cele două specii chimice în echilibru între ele au aceeași concentrație.

Nota 1 : Există valori aparent contradictorii în literatura de specialitate pentru pK a . Pines și colab. citați o valoare pentru „ aplicația pK ” de 6,35, în concordanță cu valoarea 6,77, menționată mai sus. De asemenea, dau o valoare pentru "pK a " de 3,49 și afirmă că

pK a = pK app - log K D (ech. 5)

unde K D = [CO 2 ] / [H 2 CO 3 ]. (echiv. 3) Situația apare din modul în care constantele de disociere sunt denumite și definite, ceea ce este clar afirmat în textul lucrării Pines, dar nu în abstract.

Nota 2 : Numerotarea constantelor de disociere este inversa numerotării numerelor constantelor de asociere , deci pK 2 (disociere) = log β 1 (asociere). Valoarea constantei în trepte pentru echilibru

este dat de

pK 1 (disociere) 1 = log β 2 - log β 1 (asociere)

În soluții non-biologice

Hidratare constanta de echilibru la 25 ° C se numește K h , care , în cazul acidului carbonic este [H 2 CO 3 ] / [CO 2 ] ≈ 1,7 × 10 -3 în apă pură și ≈ 1,2 x 10 -3 în apă de mare . Prin urmare, majoritatea dioxidului de carbon nu este transformat în acid carbonic, rămânând ca molecule de CO 2 . În absența unui catalizator , echilibrul este atins destul de lent. Cele Constantele de viteză sunt 0,039 s -1 pentru reacția înainte și 23 s -1 pentru reacția inversă.

În natură, calcarul poate reacționa cu apa de ploaie , formând o soluție de bicarbonat de calciu ; evaporarea unei astfel de soluții va avea ca rezultat re-formarea carbonatului de calciu solid. Aceste procese apar în formarea stalactitelor și stalagmitelor .

În soluții biologice

Când enzima anhidrază carbonică este, de asemenea, prezentă în soluție, reacția următoare are prioritate.

Când cantitatea de dioxid de carbon creată de reacția directă depășește solubilitatea sa, gazul este dezvoltat și un al treilea echilibru

trebuie, de asemenea, luate în considerare. Constanta de echilibru pentru această reacție este definită de legea lui Henry . Cele două reacții pot fi combinate pentru echilibrul în soluție.

 :   

Când legea lui Henry este utilizată pentru a calcula valoarea termenului în numitor este necesară îngrijirea în ceea ce privește dimensionalitatea.

În fiziologie , dioxidul de carbon excretat de plămâni poate fi numit acid volatil sau acid respirator .

Utilizarea termenului de acid carbonic

Speciație pentru un acid monoprotic, AH în funcție de pH.

Strict vorbind, termenul "acid carbonic" se referă la compusul chimic cu formula .

Deoarece pK a1 are o valoare de cca. 6.8, la echilibru acidul carbonic va fi disociat aproape 50% în fluidul extracelular ( citosol ) care are un pH de cca. 7.2. Rețineți că dioxidul de carbon dizolvat în fluidul extracelular este adesea numit „acid carbonic” în literatura de biochimie, din motive istorice. Reacția în care este produsă

HCO 3 - + H + ⇌ CO 2 + H 2 O

este rapid în sistemele biologice. Dioxidul de carbon poate fi descris ca anhidrida acidului carbonic.

Acid carbonic pur

Acidul carbonic, H 2 CO 3 , este stabil la temperaturi ambiante în condiții strict anhidre . Se descompune pentru a forma dioxid de carbon în prezența oricăror molecule de apă.

Acidul carbonic se formează ca un produs secundar al iradierii CO 2 / H 2 O, pe lângă monoxidul de carbon și speciile radicale (HCO și CO 3 ). O altă cale de formare a acidului carbonic este protonarea bicarbonatelor (HCO 3 - ) cu HCI sau HBr apos. Acest lucru trebuie făcut în condiții criogenice pentru a evita descompunerea imediată a H 2 CO 3 la CO 2 și H 2 O. Formele amorfe de H 2 CO 3 peste 120 K și cristalizarea are loc peste 200 K pentru a da „β-H 2 CO 3 ", determinat prin spectroscopie în infraroșu . Spectrul β-H 2 CO 3 este foarte potrivit cu produsul secundar după iradiere cu CO 2 / H 2 O. β-H 2 CO 3 sublimează la 230-260 K în mare parte fără descompunere. Spectroscopia cu izolare prin matrice permite înregistrarea unor molecule unice de H 2 CO 3 .

Faptul că acidul carbonic se poate forma prin iradierea unui amestec solid de H 2 O + CO 2 sau chiar prin implantarea protonică a gheții uscate a dat naștere la sugestii că H 2 CO 3 ar putea fi găsit în spațiul cosmic sau pe Marte , unde icii congelate de H 2 O și CO 2 sunt găsite, precum și razele cosmice . Stabilitatea surprinzătoare a H 2 CO 3 sublimat până la temperaturi destul de ridicate de 260 K permite chiar și faza gazoasă H 2 CO 3 , de exemplu, deasupra capacelor polilor de pe Marte. Calculele ab initio au arătat că o singură moleculă de apă catalizează descompunerea unei molecule de acid carbonic în fază gazoasă în dioxid de carbon și apă. În absența apei, disocierea acidului carbonic gazos se prezice a fi foarte lentă, cu un timp de înjumătățire în faza gazoasă de 180.000 de ani la 300 K. Acest lucru se aplică numai dacă moleculele sunt puține și foarte depărtate, deoarece S-a prezis, de asemenea, că acidul carbonic în fază gazoasă își va cataliza propria descompunere prin formarea dimerilor , care apoi se separă în două molecule fiecare din apă și dioxid de carbon.

S-a afirmat că „acidul α-carbonic” solid este generat de o reacție criogenică de bicarbonat de potasiu și o soluție de HCI în metanol . Această afirmație a fost contestată într-o teză de doctorat prezentată în ianuarie 2014. În schimb, experimentele de etichetare a izotopilor indică implicarea esterului monometilic al acidului carbonic (CAME). Mai mult, sublimat solid sa sugerat să conțină Came monomeri și dimerii, nu H 2 CO 3 monomeri și dimerii revendicat anterior. Spectrele ulterioare de izolare a matricei au confirmat că CAME, mai degrabă decât acidul carbonic, se găsește în faza gazoasă de deasupra „acidului α-carbonic”. Atribuirea ca CAME este coroborată în continuare prin izolarea matricială a substanței preparate în fază gazoasă prin piroliză.

În ciuda istoriei sale complicate, acidul carbonic poate apărea în continuare ca polimorfi distincti . Acidul carbonic se formează la oxidarea CO cu radicali OH. Nu este clar dacă acidul carbonic preparat în acest mod trebuie considerat ca γ-H 2 CO 3 . Structurile β-H 2 CO 3 și γ-H 2 CO 3 nu au fost caracterizate cristalografic.

La presiune ridicată

Deși moleculele de H 2 CO 3 nu constituie o porțiune semnificativă a carbonului dizolvat în „acid carbonic” apos în condiții ambientale, cantități semnificative de H 2 CO 3 pot exista în soluții apoase supuse presiunilor de gigapascali multipli (zeci de mii atmosfere), cum ar putea apărea în interiorul planetei.

Acidul carbonic trebuie stabilizat la presiuni de 0,6-1,6  GPa la 100  K și 0,75-1,75 GPa la 300 K. Aceste presiuni sunt atinse în nucleele sateliților mari cu gheață, cum ar fi Ganimede , Callisto și Titan , unde apa și dioxidul de carbon sunt prezenți. Acidul carbonic pur, fiind mai dens, s-ar scufunda apoi sub straturile de gheață și le-ar separa de miezurile stâncoase ale acestor luni.

Referințe

Lecturi suplimentare

linkuri externe