- Struttura
- Molecola
- Interazioni molecolari
- Acido carbonico puro
- Proprietà
- Sintesi
- Scioglimento
- Equilibrio liquido-vapore
- Solido puro
- applicazioni
- rischi
- Riferimenti
L' acido carbonico è un composto inorganico, sebbene alcuni dibattiti in realtà sia organico, la formula chimica H 2 CO 3 . Si tratta quindi di un acido diprotico, in grado di donare due ioni H + al mezzo acquoso per generare due cationi molecolari H 3 O + . Da esso derivano i ben noti ioni bicarbonato (HCO 3 - ) e carbonato (CO 3 2- ).
Questo acido peculiare, semplice, ma allo stesso tempo coinvolto in sistemi in cui numerose specie partecipano all'equilibrio liquido-vapore, è formato da due molecole inorganiche fondamentali: l'acqua e l'anidride carbonica. La presenza di CO 2 indisciolta si osserva ogni volta che c'è un gorgoglio nell'acqua, che sale verso la superficie.
Bicchiere con acqua gassata, una delle bevande più comuni che contengono acido carbonico. Fonte: Pxhere.
Questo fenomeno si osserva molto regolarmente nelle bevande gassate e nell'acqua gassata.
Nel caso di acqua gassata o gassata (immagine in alto), si è dissolta una tale quantità di CO 2 che la sua tensione di vapore è più del doppio di quella atmosferica. Quando si toglie il tappo, la differenza di pressione all'interno della bottiglia e all'esterno diminuisce la solubilità della CO 2 , motivo per cui compaiono bolle che finiscono per fuoriuscire dal liquido.
In misura minore, la stessa cosa accade in qualsiasi corpo d'acqua dolce o salina: quando riscaldati rilasciano il loro contenuto di CO 2 disciolto .
Tuttavia, la CO 2 non solo si dissolve, ma subisce trasformazioni nella sua molecola che la trasformano in H 2 CO 3 ; un acido che ha una durata troppo breve, ma sufficiente per contrassegnare un cambiamento misurabile nel pH del suo mezzo solvente acquoso e generare anche un sistema tampone carbonato unico.
Struttura
Molecola
Molecola di acido carbonico rappresentata da un modello di sfere e barre. Fonte: Jynto e Ben Mills tramite Wikipedia.
Sopra abbiamo la molecola H 2 CO 3 , rappresentata da sfere e barre. Le sfere rosse corrispondono agli atomi di ossigeno, il nero all'atomo di carbonio e il bianco agli atomi di idrogeno.
Nota che a partire dall'immagine puoi scrivere un'altra formula valida per questo acido: CO (OH) 2 , dove CO diventa il gruppo carbonile, C = O, legato a due gruppi idrossilici, OH. Poiché ci sono due gruppi OH, in grado di donare i loro atomi di idrogeno, ora è chiaro da dove provengono gli ioni H + rilasciati nell'ambiente.
Struttura molecolare dell'acido carbonico.
Si noti inoltre che la formula CO (OH) 2 può essere scritta come OHCOOH; vale a dire, del tipo RCOOH, dove R è in questo caso un gruppo OH.
È per questo motivo, oltre al fatto che la molecola è composta da ossigeno, idrogeno e atomi di carbonio, fin troppo comuni in chimica organica, che l'acido carbonico è considerato da alcuni un composto organico. Tuttavia, nella sezione sulla sua sintesi verrà spiegato perché altri lo considerano di natura inorganica e non organica.
Interazioni molecolari
Della molecola H 2 CO 3 si può commentare che la sua geometria è sul piano trigonale, con il carbonio situato al centro del triangolo. In due dei suoi vertici ha gruppi OH, che sono donatori di legami idrogeno; e nell'altro rimanente, un atomo di ossigeno del gruppo C = O, accettore di legami idrogeno.
Pertanto, H 2 CO 3 ha una forte tendenza ad interagire con solventi protici o ossigenati (e azotati).
E guarda caso l'acqua soddisfa queste due caratteristiche, e l'affinità di H 2 CO 3 per essa è tale che quasi immediatamente cede un H + e inizia a stabilirsi un equilibrio di idrolisi che coinvolge le specie HCO 3 - e H 3 O + .
Ecco perché la sola presenza di acqua scompone l'acido carbonico e rende troppo difficile isolarlo come composto puro.
Acido carbonico puro
Tornando alla molecola H 2 CO 3 , non solo è piatta, in grado di stabilire legami idrogeno, ma può anche presentare isomeria cis-trans; Cioè, nell'immagine abbiamo l'isomero cis, con le due H che puntano nella stessa direzione, mentre nell'isomero trans punterebbero in direzioni opposte.
L'isomero cis è il più stabile dei due, ed è per questo che è l'unico solitamente rappresentato.
Un solido puro di H 2 CO 3 è costituito da una struttura cristallina composta da strati o fogli di molecole che interagiscono con legami idrogeno laterali. Questo è prevedibile, poiché la molecola di H 2 CO 3 è piatta e triangolare. Quando sublima, compaiono dimeri ciclici (H 2 CO 3 ) 2 , che sono uniti da due legami idrogeno C = O-OH.
La simmetria dei cristalli di H 2 CO 3 non è stata definita per il momento. È stato considerato cristallizzare come due polimorfi: α-H 2 CO 3 e β-H 2 CO 3 . Tuttavia, è stato dimostrato che l' α-H 2 CO 3 , sintetizzata da una miscela di CH 3 COOH-CO 2 , è in realtà CH 3 OCOOH: un estere monometilico dell'acido carbonico.
Proprietà
È stato detto che H 2 CO 3 è un acido diprotico, quindi può donare due ioni H + a un mezzo che li accetta. Quando questo mezzo è l'acqua, le equazioni della sua dissociazione o idrolisi sono:
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 - è l'anione bicarbonato o idrogenocarbonato e CO 3 2- l'anione carbonato. Sono inoltre indicate le rispettive costanti di equilibrio, Ka 1 e Ka 2 . Poiché Ka 2 è cinque milioni di volte inferiore a Ka 1 , la formazione e la concentrazione di CO 3 2- sono trascurabili.
Quindi, anche se è un acido diprotico, il secondo H + riesce a malapena a rilasciarlo in modo apprezzabile. Tuttavia, la presenza di CO 2 disciolta in grandi quantità è sufficiente per acidificare il mezzo; in questo caso l'acqua, abbassandone i valori di pH (inferiori a 7).
Parlare di acido carbonico significa praticamente riferirsi ad una soluzione acquosa dove predominano le specie HCO 3 - e H 3 O + ; non può essere isolato con metodi convenzionali, in quanto il minimo tentativo sposterebbe l'equilibrio di solubilità della CO 2 alla formazione di bolle che sfuggirebbero all'acqua.
Sintesi
Scioglimento
L'acido carbonico è uno dei composti più facili da sintetizzare. Come? Il metodo più semplice è far bollire, con l'aiuto di una cannuccia o di una cannuccia, l'aria che espiriamo in un volume d'acqua. Poiché essenzialmente espiriamo la CO 2 , essa bolle nell'acqua, dissolvendone una piccola frazione.
Quando lo facciamo, si verifica la seguente reazione:
CO 2 (g) + H 2 O (l) <=> H 2 CO 3 (aq)
Ma a sua volta, bisogna considerare la solubilità della CO 2 in acqua:
CO 2 (g) <=> CO 2 (aq)
Sia CO 2 che H 2 O sono molecole inorganiche, quindi H 2 CO 3 è inorganica da questo punto di vista.
Equilibrio liquido-vapore
Di conseguenza, abbiamo un sistema di equilibrio che dipende fortemente dalle pressioni parziali della CO 2 , nonché dalla temperatura del liquido.
Ad esempio, se la pressione della CO 2 aumenta (nel caso in cui soffiamo l'aria con più forza attraverso la cannuccia), si formerà più H 2 CO 3 e il pH diventerà più acido; da allora, il primo equilibrio si sposta a destra.
D'altra parte, se riscaldiamo la soluzione H 2 CO 3 , la solubilità della CO 2 in acqua diminuirà perché è un gas, e l'equilibrio si sposterà quindi a sinistra (ci sarà meno H 2 CO 3 ). Sarà simile se proviamo ad applicare il vuoto: la CO 2 fuoriuscirà così come le molecole d'acqua, che sposterebbero nuovamente l'equilibrio a sinistra.
Solido puro
Quanto sopra ci permette di giungere a una conclusione: da una soluzione di H 2 CO 3 non c'è modo di sintetizzare questo acido come solido puro con un metodo convenzionale. Tuttavia, è stato fatto, a partire dagli anni '90 del secolo scorso, a partire da miscele solide di CO 2 e H 2 O.
Questa miscela solida al 50% di CO 2 -H 2 O è bombardata da protoni (un tipo di radiazione cosmica), in modo che nessuno dei due componenti sfugga e si verifichi la formazione di H 2 CO 3 . A tale scopo è stata utilizzata anche una miscela CH 3 OH-CO 2 (si ricordi α-H 2 CO 3 ).
Un altro metodo è fare lo stesso ma usando direttamente il ghiaccio secco, niente di più.
Dei tre metodi, gli scienziati della NASA sono stati in grado di raggiungere una conclusione: l'acido carbonico puro, solido o gassoso, può esistere nei gelidi satelliti di Giove, nei ghiacciai marziani e nelle comete, dove tali miscele solide sono costantemente irradiate. dai raggi cosmici.
applicazioni
L'acido carbonico di per sé è un composto inutile. Dalle loro soluzioni, tuttavia, si possono preparare soluzioni tampone basate sulle coppie HCO 3 - / CO 3 2- o H 2 CO 3 / HCO 3 - .
Grazie a queste soluzioni e all'azione dell'enzima anidrasi carbonica, presente nei globuli rossi, la CO 2 prodotta nella respirazione può essere trasportata nel sangue ai polmoni, dove viene infine rilasciata per essere espirata all'esterno del nostro corpo.
Lo spumeggiare di CO 2 viene utilizzato per dare alle bibite quella piacevole e caratteristica sensazione che lasciano in gola quando le bevono.
Allo stesso modo, la presenza di H 2 CO 3 ha importanza geologica nella formazione delle stalattiti calcaree, poiché le dissolve lentamente fino a produrre le loro finiture appuntite.
E d'altra parte, le sue soluzioni possono essere utilizzate per preparare dei bicarbonati metallici; anche se per questo è più vantaggioso e più facile utilizzare direttamente un sale bicarbonato (NaHCO 3 , per esempio).
rischi
L'acido carbonico ha una durata di vita così trascurabile in condizioni normali (si stima intorno ai 300 nanosecondi) che è praticamente innocuo per l'ambiente e gli esseri viventi. Tuttavia, come detto prima, ciò non implica che non possa generare un preoccupante cambiamento del pH dell'acqua oceanica, che colpisce la fauna marina.
D'altra parte, il vero "rischio" si trova nell'assunzione di acqua gassata, poiché la quantità di CO 2 in esse disciolta è molto più alta che nell'acqua normale. Tuttavia, ancora una volta, non ci sono studi che hanno dimostrato che bere acqua gassata rappresenta un rischio fatale; se addirittura lo consigliano per digiunare e combattere l'indigestione.
L'unico effetto negativo osservato in chi beve quest'acqua è la sensazione di pienezza, poiché il loro stomaco si riempie di gas. Al di fuori di questo (per non parlare delle bibite, poiché sono costituite da molto più del semplice acido carbonico), si può dire che questo composto non è affatto tossico.
Riferimenti
- Day, R. e Underwood, A. (1989). Chimica analitica quantitativa (quinto ed.). PEARSON Prentice Hall.
- Shiver & Atkins. (2008). Chimica inorganica. (Quarta edizione). Mc Graw Hill.
- Wikipedia. (2019). Acido carbonico. Estratto da: en.wikipedia.org
- Danielle Reid. (2019). Acido carbonico: formazione, struttura e video dell'equazione chimica. Studia. Estratto da: study.com
- Götz Bucher e Wolfram Sander. (2014). Chiarire la struttura dell'acido carbonico. Vol.346, Edizione 6209, pagg. 544-545. DOI: 10.1126 / science.1260117
- Lynn Yarris. (22 ottobre 2014). Nuovi approfondimenti sull'acido carbonico nell'acqua. Berkeley Lab. Estratto da: newscenter.lbl.gov
- Claudia Hammond. (2015, 14 settembre). L'acqua frizzante fa davvero male? Estratto da: bbc.com
- Jurgen Bernard. (2014). Acido carbonico solido e gassoso. Istituto di Chimica Fisica. Università di Innsbruck.