- Будова
- Молекула
- Молекулярні взаємодії
- Чиста вуглекисла кислота
- Властивості
- Синтез
- Розчинення
- Рідко-пара рівновага
- Чистий твердий
- Програми
- Ризики
- Список літератури
Вугільна кислота являє собою неорганічну сполуку, хоча деякі дебати на насправді є органічним, хімічна формула Н 2 СО 3 . Отже, це дипротикова кислота, здатна подавати два іони Н + у водну середу для утворення двох молекулярних катіонів H 3 O + . З нього виникають відомі бікарбонатні (HCO 3 - ) та карбонатні (CO 3 2- ) іони .
Ця своєрідна кислота, проста, але в той же час бере участь у системах, де численні види беруть участь у рідинно-паровому балансі, утворюється з двох основних неорганічних молекул: води та вуглекислого газу. Наявність нерозчиненого CO 2 спостерігається всякий раз, коли у воді виникає барботаж, піднімаючись до поверхні.
Стакан з газованою водою, один з найпоширеніших напоїв, що містять вуглекислоту. Джерело: Pxhere.
Це явище спостерігається дуже регулярно в газованих напоях та газованій воді.
У випадку газованої або газованої води (верхнє зображення) така кількість CO 2 розчиняється, що її тиск пари більше ніж удвічі більший за атмосферний. Розкриваючи його, різниця тиску всередині пляшки і зовні зменшує розчинність CO 2 , через що з’являються бульбашки, які в кінцевому підсумку витікають з рідини.
У меншій мірі те ж саме відбувається в будь-якому водоймі прісної або солоної води: при нагріванні вони вивільнять свій розчинений вміст CO 2 .
Однак CO 2 не тільки розчиняється, але й зазнає перетворень у своїй молекулі, які перетворюють його на H 2 CO 3 ; кислоти, яка має занадто мало часу життя, але достатня для того, щоб відмітити помірну зміну pH його водного розчинника, а також створити унікальну карбонатну буферну систему.
Будова
Молекула
Молекула вуглекислоти, представлена моделлю сфер і брусків. Джерело: Jynto та Ben Mills через Wikipedia.
Зверху маємо молекулу H 2 CO 3 , представлену сферами і брусками. Червоні сфери відповідають атомам кисню, чорні - атому вуглецю, а білі - атомам водню.
Зауважте, що, починаючи із зображення, ви можете написати іншу дійсну формулу цієї кислоти: CO (OH) 2 , де CO стає карбонільною групою, C = O, пов'язаною з двома гідроксильними групами, OH. Оскільки існують дві групи ОН, здатні дарувати свої атоми водню, тепер зрозуміло, звідки беруться іони Н +, що потрапляють у навколишнє середовище.
Молекулярна структура вуглекислоти.
Також зауважте, що формулу CO (OH) 2 можна записати як OHCOOH; тобто типу RCOOH, де R в цьому випадку є OH-групою.
З цієї причини, крім того, що молекула складається з кисню, водню та атомів вуглецю, занадто поширених в органічній хімії, вуглекислота дехто вважається органічною сполукою. Однак у розділі про його синтез буде пояснено, чому інші вважають його неорганічним та неорганічним.
Молекулярні взаємодії
З молекули H 2 CO 3 можна коментувати, що її геометрія є трикутною площиною, а вуглець розташований у центрі трикутника. У двох своїх вершинах він має ОН-групи, які є донорами водневих зв'язків; а в іншому, що залишився, атом кисню групи C = O, акцептор водневих зв'язків.
Таким чином, H 2 CO 3 має сильну тенденцію до взаємодії з проточними або кисневими (і азотистими) розчинниками.
І випадково вода відповідає цим двом характеристикам, і спорідненість H 2 CO 3 до неї така, що майже одразу вона видає Н + і починає встановлюватися рівновага гідролізу, що передбачає види HCO 3 - і H 3 O + .
Ось чому сама наявність води розщеплює вуглекислоту і ускладнює виділення її як чистої сполуки.
Чиста вуглекисла кислота
Повертаючись до молекули H 2 CO 3 , вона не тільки плоска, здатна встановлювати водневі зв’язки, але також може представляти цис-транс-ізомерію; Це так, що на зображенні у нас є цис-ізомер, причому два Н вказують в одному напрямку, тоді як у транс-ізомері вони вказуватимуть у протилежних напрямках.
Цис-ізомер є більш стійким з двох, і саме тому він є єдиним, який зазвичай представлений.
Чисте тверде речовина H 2 CO 3 складається з кристалічної структури, складеної з шарів або листків молекул, що взаємодіють з бічними водневими зв’язками. Цього можна очікувати, молекула H 2 CO 3 буде плоскою та трикутною. Коли він сублімує, з'являються циклічні димери (H 2 CO 3 ) 2 , які з'єднуються двома водневими зв’язками C = O-OH.
Симетричність кристалів H 2 CO 3 наразі не визначена. Вважалося, що кристалізуються дві поліморфи: α-H 2 CO 3 та β-H 2 CO 3 . Однак було показано , що α-H 2 CO 3 , синтезований із суміші CH 3 COOH-CO 2 , фактично CH 3 OCOOH: монометиловий ефір вуглекислоти.
Властивості
Було сказано, що H 2 CO 3 - це дипротикова кислота, тому вона може здавати два іони Н + на середовище, яке їх приймає. Коли ця середовище є водою, рівняннями її дисоціації або гідролізу є:
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 - це аніон бікарбонату або гідрокарбонату, а CO 3 2- карбонатний аніон. Їх відповідні константи рівноваги, Ka 1 і Ka 2, також вказані . Оскільки Ka 2 в п’ять мільйонів разів менше, ніж Ka 1 , утворення та концентрація CO 3 2- незначні.
Таким чином, незважаючи на те, що це дипротикова кислота, другий Н + ледве може вивільнити її помітно. Однак наявності розчиненого CO 2 у великих кількостях достатньо для підкислення середовища; в цьому випадку вода, знижуючи її значення рН (нижче 7).
Говорити про вуглекислоту - це означати практично водний розчин, де переважають види HCO 3 - і H 3 O + ; його не можна виділити звичайними методами, оскільки найменша спроба змістить баланс розчинності CO 2 до утворення бульбашок, які витягнуть воду.
Синтез
Розчинення
Вуглекислота - одне з найпростіших синтезуючих сполук. Як? Найпростіший метод - це бульбашка, за допомогою соломи або соломи повітря, яке ми видихаємо в об’єм води. Оскільки ми, по суті, видихаємо CO 2 , він буде пузиритися у воді, розчиняючи невелику частину його.
Коли ми це робимо, виникає така реакція:
CO 2 (g) + H 2 O (l) <=> H 2 CO 3 (aq)
Але в свою чергу, слід вважати розчинність CO 2 у воді:
CO 2 (г) <=> CO 2 (aq)
І CO 2, і H 2 O є неорганічними молекулами, тому H 2 CO 3 є неорганічним з цієї точки зору.
Рідко-пара рівновага
В результаті у нас є рівноважна система, яка сильно залежить від парціальних тисків CO 2 , а також температури рідини.
Наприклад, якщо тиск CO 2 зростає (у випадку, якщо ми надуваємо повітря з більшою силою через солому), утворюється більше H 2 CO 3 і рН стане більш кислим; оскільки перша рівновага зміщується вправо.
З іншого боку, якщо ми нагріваємо розчин H 2 CO 3 , розчинність CO 2 у воді зменшиться, оскільки це газ, і рівновага потім зміститься вліво (буде менше H 2 CO 3 ). Це буде схоже, якщо ми спробуємо застосувати вакуум: CO 2 вийде так само, як і молекули води, які б знову зрушили рівновагу вліво.
Чистий твердий
Сказане дозволяє дійти висновку: із розчину H 2 CO 3 немає можливості синтезувати цю кислоту як чисте тверде тіло звичайним методом. Однак це робиться з 90-х років минулого століття, починаючи з твердих сумішей CO 2 і H 2 O.
Цю тверду суміш 50% CO 2 -H 2 O бомбардують протони (тип космічного випромінювання), щоб жоден з двох компонентів не вийшов і не відбулося утворення H 2 CO 3 . Для цього також використовували суміш CH 3 OH-CO 2 (пам’ятайте, α-H 2 CO 3 ).
Інший метод - це зробити те ж саме, але безпосередньо використовуючи сухий лід, не більше того.
З трьох методів вчені NASA змогли дійти одного висновку: чиста вуглекисла кислота, тверда або газоподібна, може існувати в крижаних супутниках Юпітера, на марсіанських льодовиках і в кометах, де такі тверді суміші постійно опромінюються. космічними променями.
Програми
Вуглекислота сама по собі є марною сполукою. Однак з їх розчинів можна приготувати буферні розчини на основі пар HCO 3 - / CO 3 2- або H 2 CO 3 / HCO 3 - .
Завдяки цим розчинам та дії ферменту вуглекислого ангідрази, присутнього в еритроцитах, CO 2, що утворюється при диханні, може транспортуватися з кров’ю до легенів, де він, нарешті, виділяється для видиху поза нашим тілом.
Бульбавання CO 2 використовується для надання безалкогольних напоїв приємного та характерного відчуття, яке вони залишають у горлі при їх випиванні.
Так само присутність H 2 CO 3 має геологічне значення для утворення вапнякових сталактитів, оскільки воно повільно розчиняється до тих пір, поки вони не отримають їх загострених оздоблень.
А з іншого боку, його розчини можна використовувати для приготування деяких металевих бікарбонатів; хоча для цього вигідніше і простіше безпосередньо використовувати бікарбонатну сіль (наприклад, NaHCO 3 ).
Ризики
Вуглекисла кислота має такий незначний час життя в нормальних умовах (вони оцінюють близько 300 наносекунд), що вона практично нешкідлива для навколишнього середовища та живих істот. Однак, як було сказано раніше, це не означає, що воно не може спричинити занепокоєння зміни pH води океану, що впливає на морську фауну.
З іншого боку, справжній "ризик" виявляється в надходженні газованої води, оскільки кількість розчиненого в них CO 2 набагато вище, ніж у звичайній воді. Однак, і знову ж таки, не існує жодних досліджень, які б показали, що пиття газованої води становить смертельний ризик; якщо вони навіть рекомендують його швидко і боротися з нетравленням.
Єдиний негативний ефект, який спостерігається у тих, хто п'є цю воду, - це відчуття наповненості, оскільки їх шлунок наповнюється газами. Поза цим (не кажучи вже про соди, оскільки вони складаються з набагато більше, ніж просто вуглекислоти), можна сказати, що ця сполука зовсім не токсична.
Список літератури
- Day, R., & Underwood, A. (1989). Кількісна аналітична хімія (п. Ред.). PEARSON Prentice Hall.
- Шивер і Аткінс. (2008). Неорганічна хімія. (Четверте видання). Mc Graw Hill.
- Вікіпедія. (2019). Вуглекислота. Відновлено з: en.wikipedia.org
- Даніель Рейд. (2019). Карбонова кислота: утворення, структура та хімічне рівняння. Вивчення. Відновлено з: study.com
- Гетц Бюхер та Вольфрам Сандер. (2014). Уточнення структури вуглекислоти. Т. 346, випуск 6209, с. 544-545. DOI: 10.1126 / наука.1260117
- Лінн Ярріс. (22 жовтня 2014 р.). Нові відомості про вуглекислоту у воді. Лабораторія Берклі. Відновлено: newscenter.lbl.gov
- Клавдія Хаммонд. (2015 р., 14 вересня). Чи газована вода насправді погана для вас? Відновлено з: bbc.com
- Юрген Бернар. (2014). Тверда і газоподібна вуглекисла кислота. Інститут фізичної хімії. Університет Інсбрука.