Struktura kwasu węglowego (H2CO3), właściwości, synteza, zastosowania

2571
Anthony Golden

Plik kwas węglowy Jest to związek nieorganiczny, chociaż są tacy, którzy debatują, że jest to faktycznie organiczny związek, którego wzór chemiczny to H.dwaWSPÓŁ3. Jest więc kwasem diprotycznym, zdolnym do oddawania dwóch jonów H.+ do środowiska wodnego w celu wytworzenia dwóch kationów molekularnych H3LUB+. Z niej powstają dobrze znane jony wodorowęglanowe (HCO3-) i węglan (CO3dwa-).

Ten specyficzny kwas, prosty, ale jednocześnie zaangażowany w układy, w których wiele gatunków uczestniczy w równowadze ciecz-para, jest utworzony z dwóch podstawowych cząsteczek nieorganicznych: wody i dwutlenku węgla. Obecność COdwa nierozpuszczony obserwuje się, gdy pojawia się bulgotanie wody, wznoszące się w kierunku powierzchni.

Szkło z wodą gazowaną, jednym z najpopularniejszych napojów zawierających kwas węglowy. Źródło: Pxhere.

Zjawisko to występuje bardzo regularnie w napojach gazowanych i wodzie gazowanej..

W przypadku wody gazowanej lub gazowanej (zdjęcie powyżej) taka ilość CO została rozpuszczonadwa że jego prężność par jest ponad dwukrotnie większa niż ciśnienie atmosferyczne. Po otwarciu różnica ciśnień wewnątrz butelki i na zewnątrz zmniejsza rozpuszczalność COdwa, więc pojawiają się bąbelki, które ostatecznie uciekają z cieczy.

W mniejszym stopniu to samo dzieje się w każdym zbiorniku wody słodkiej lub słonej: po podgrzaniu uwalniają rozpuszczoną zawartość CO.dwa.

Jednak COdwa Jest nie tylko rozpuszczony, ale ulega przemianom w swojej cząsteczce, które sprawiają, że jest HdwaWSPÓŁ3; kwas, który ma zbyt krótki czas życia, ale wystarczający, aby zaznaczyć mierzalną zmianę pH jego wodnego rozpuszczalnika, a także wygenerować unikalny system buforu węglanowego.

Indeks artykułów

  • 1 Struktura
    • 1.1 Cząsteczka
    • 1.2 Oddziaływania molekularne
    • 1.3 Czysty kwas węglowy
  • 2 Właściwości
  • 3 Synteza
    • 3.1 Rozwiązanie
    • 3.2 Równowaga ciecz-para
    • 3.3 Czyste ciało stałe
  • 4 Zastosowania
  • 5 Ryzyka
  • 6 Odnośniki

Struktura

Cząsteczka

Cząsteczka kwasu węglowego reprezentowana przez model sfer i słupków. Źródło: Jynto i Ben Mills za pośrednictwem Wikipedii.

Powyżej mamy cząsteczkę H.dwaWSPÓŁ3, reprezentowane za pomocą sfer i pasków. Czerwone kule odpowiadają atomom tlenu, czarne atomom węgla, a białe atomom wodoru.

Zauważ, że zaczynając od obrazka, możesz napisać inny prawidłowy wzór dla tego kwasu: CO (OH)dwa, gdzie CO staje się grupą karbonylową, C = O, połączoną z dwiema grupami hydroksylowymi, OH. Ponieważ istnieją dwie grupy OH, które mogą przekazywać swoje atomy wodoru, teraz wiadomo, skąd pochodzą jony H.+ wypuszczony do środka.

Budowa molekularna kwasu węglowego.

Zwróć również uwagę, że wzór CO (OH)dwa można zapisać jako OHCOOH; to znaczy typu RCOOH, gdzie R jest w tym przypadku grupą OH.

Z tego powodu, oprócz faktu, że cząsteczka składa się z atomów tlenu, wodoru i węgla, które są zbyt powszechne w chemii organicznej, niektórzy uważają, że kwas węglowy jest związkiem organicznym. Jednak w części poświęconej jego syntezie zostanie wyjaśnione, dlaczego inni uważają go za nieorganiczny i nieorganiczny z natury..

Oddziaływania molekularne

Cząsteczki H.dwaWSPÓŁ3 Można powiedzieć, że jego geometria jest płaszczyzną trygonalną, w której węgiel znajduje się w środku trójkąta. W dwóch swoich wierzchołkach ma grupy OH, które są donorami wiązań wodorowych; aw drugiej pozostałym atom tlenu z grupy C = O, akceptor wiązań wodorowych.

Tak więc HdwaWSPÓŁ3 ma silną tendencję do interakcji z rozpuszczalnikami protonowymi lub natlenionymi (i azotowymi).

I przypadkowo woda spełnia te dwie cechy i takie jest powinowactwo H.dwaWSPÓŁ3 dla niej to prawie natychmiast daje jej H+ i zaczyna się ustalać równowaga hydrolizy, która obejmuje rodzaje HCO3- i H3LUB+.

Dlatego sama obecność wody powoduje rozkład kwasu węglowego i sprawia, że ​​jego wyodrębnienie jako czystego związku jest zbyt skomplikowane..

Czysty kwas węglowy

Wracając do cząsteczki H.dwaWSPÓŁ3, jest nie tylko płaski, zdolny do tworzenia wiązań wodorowych, ale może również wykazywać izomerię cis-trans; Oznacza to, że na obrazie mamy izomer cis, z dwoma H skierowanymi w tym samym kierunku, podczas gdy w izomerze trans wskazywałyby one w przeciwnych kierunkach.

Izomer cis jest bardziej stabilny z tych dwóch i dlatego jest jedynym zwykle reprezentowanym.

Czyste ciało stałe H.dwaWSPÓŁ3 Składa się z krystalicznej struktury złożonej z warstw lub arkuszy cząsteczek oddziałujących z bocznymi wiązaniami wodorowymi. Należy się tego spodziewać w przypadku cząsteczki H.dwaWSPÓŁ3 płaskie i trójkątne. Sublimowane cykliczne dimery (H.dwaWSPÓŁ3)dwa, które są połączone dwoma wiązaniami wodorowymi C = O - OH.

Symetria kryształów H.dwaWSPÓŁ3 nie był w stanie w tej chwili zdefiniować. Uważano, że krystalizuje jako dwa polimorfy: α-HdwaWSPÓŁ3 i β-HdwaWSPÓŁ3. Jednak α-HdwaWSPÓŁ3, syntetyzowany wychodząc z mieszaniny CH3COOH-COdwa, okazało się, że jest to faktycznie CH3OCOOH: ester monometylowy kwasu węglowego.

Nieruchomości

Wspomniano, że HdwaWSPÓŁ3 jest to kwas diprotyczny, więc może przekazać dwa jony H.+ do medium, które je akceptuje. Gdy tym ośrodkiem jest woda, równania jego dysocjacji lub hydrolizy są następujące:

H.dwaWSPÓŁ3(ac) + HdwaO (l) <=> HCO3-(ac) + H3LUB+(ac) (Ka1 = 2,5 × 10−4)

HCO3-(ac) + HdwaO (l) <=> WSPÓŁ3dwa-(ac) + H3LUB+(ac) (Kadwa = 4,69 × 10−11)

HCO3- jest anionem wodorowęglanowym lub wodorowęglanowym i CO3dwa- anion węglanowy. Wskazano również ich odpowiednie stałe równowagi, Ka1 i Kadwa. Bycie Kadwa pięć milionów razy mniejszy niż Ka1, tworzenie i stężenie CO3dwa- są nikczemni.

Tak więc, mimo że jest to kwas diprotyczny, drugi H+ ledwo może go odczuwalnie uwolnić. Jednak obecność COdwa rozpuszczony w dużych ilościach wystarczy zakwasić podłoże; w tym przypadku woda, obniżając jej pH (poniżej 7).

Mówiąc o kwasie węglowym, należy praktycznie odnosić się do roztworu wodnego, w którym przeważają formy HCO3- i H3LUB+; nie można go wyodrębnić konwencjonalnymi metodami, ponieważ najmniejsza próba spowodowałaby przesunięcie równowagi rozpuszczalności COdwa do tworzenia się bąbelków, które uciekałyby z wody.

Synteza

Rozpuszczenie

Kwas węglowy jest jednym z najłatwiejszych do syntezy związków. W jaki sposób? Najprostszą metodą jest bąbelkowanie, za pomocą słomki lub słomki, powietrza, które wydychamy, do objętości wody. Ponieważ zasadniczo wydychamy COdwa, To będzie bulgotać w wodzie, rozpuszczając niewielką jej część.

Kiedy to robimy, zachodzi następująca reakcja:

WSPÓŁdwa(g) + HdwaO (l) <=> H.dwaWSPÓŁ3(ac)

Ale z kolei należy wziąć pod uwagę rozpuszczalność CO.dwa w wodzie:

WSPÓŁdwa(sol) <=> WSPÓŁdwa(ac)

Zarówno COdwa jak HdwaO to cząsteczki nieorganiczne, więc H.dwaWSPÓŁ3 z tego punktu widzenia jest nieorganiczny.

Równowaga ciecz-para

W rezultacie mamy układ w równowadze, który jest silnie zależny od ciśnień parcjalnych COdwa, jak również temperaturę cieczy.

Na przykład, jeśli ciśnienie COdwa wzrasta (w przypadku, gdy przedmuchujemy powietrze z większą siłą przez słomkę), powstanie więcej HdwaWSPÓŁ3 a pH stanie się bardziej kwaśne; ponieważ pierwsza równowaga przesuwa się w prawo.

Z drugiej strony, jeśli podgrzejemy roztwór H.dwaWSPÓŁ3, zmniejszy rozpuszczalność COdwa w wodzie, ponieważ jest to gaz, a równowaga przesunie się w lewo (będzie mniej HdwaWSPÓŁ3). Podobnie będzie, jeśli spróbujemy zastosować próżnię: COdwa ucieknie tak samo jak cząsteczki wody, które ponownie przesuną równowagę w lewo.

Czyste ciało stałe

Powyższe pozwala na wyciągnięcie wniosku: z rozwiązania H.dwaWSPÓŁ3 nie ma sposobu, aby zsyntetyzować ten kwas w postaci czystej substancji stałej konwencjonalną metodą. Jednak robi się to od lat 90-tych ubiegłego wieku, zaczynając od stałych mieszanin COdwa i HdwaLUB.

Do tej stałej mieszaniny COdwa-H.dwaLub w 50% jest bombardowany protonami (rodzaj promieniowania kosmicznego), tak że żaden z dwóch składników nie ucieknie i nie powstanie HdwaWSPÓŁ3. W tym celu zastosowano również mieszaninę CH.3OH-COdwa (pamiętaj o α-HdwaWSPÓŁ3).

Inną metodą jest zrobienie tego samego, ale bezpośrednie użycie suchego lodu, nic więcej..

Spośród trzech metod naukowcom z NASA udało się dojść do jednego wniosku: czysty kwas węglowy, stały lub gazowy, może istnieć w oblodzonych satelitach Jowisza, w marsjańskich lodowcach oraz w kometach, gdzie takie stałe mieszaniny są stale napromieniowywane przez promienie kosmiczne..

Aplikacje

Sam kwas węglowy jest związkiem bezużytecznym. Z jego rozwiązań można jednak przygotować bufory oparte na parach HCO.3-/WSPÓŁ3dwa- lub H.dwaWSPÓŁ3/ HCO3-.

Dzięki tym roztworom i działaniu enzymu anhydrazy węglanowej, obecnego w krwinkach czerwonych, COdwa powstający w oddychaniu może przedostać się z krwią do płuc, gdzie jest ostatecznie uwalniany do wydychania poza organizmem.

Bulgotanie COdwa służy do nadania napojom bezalkoholowym przyjemnego i charakterystycznego wrażenia, jakie pozostawiają w gardle podczas ich picia.

Podobnie obecność H.dwaWSPÓŁ3 Ma znaczenie geologiczne w tworzeniu wapiennych stalaktytów, ponieważ powoli je rozpuszcza, aż utworzą spiczaste wykończenia.

Z drugiej strony, jego roztwory można wykorzystać do przygotowania niektórych wodorowęglanów metali; chociaż do tego bardziej opłacalne i łatwiejsze jest bezpośrednie użycie soli wodorowęglanowej (NaHCO3, na przykład).

Ryzyka

Kwas węglowy ma tak małą żywotność w normalnych warunkach (szacuje się na około 300 nanosekund), że jest praktycznie nieszkodliwy dla środowiska i istot żywych. Jednak, jak powiedziano wcześniej, nie oznacza to, że nie może wywołać niepokojącej zmiany pH wody oceanicznej, wpływającej na faunę morską..

Z drugiej strony, prawdziwe „ryzyko” polega na pobraniu wody gazowanej, ze względu na ilość COdwa rozpuszczona w nich jest znacznie wyższa niż w zwykłej wodzie. Jednak, i znowu, nie ma badań, które wykazałyby, że picie wody gazowanej stanowi zagrożenie dla życia; jeśli nawet zalecą go na post i walkę z niestrawnością.

Jedynym negatywnym efektem obserwowanym u pijących tę wodę jest uczucie sytości, gdy ich żołądki wypełniają się gazami. Poza tym (nie wspominając o napojach gazowanych, ponieważ składają się one z dużo więcej niż tylko kwasu węglowego), można powiedzieć, że ten związek w ogóle nie jest toksyczny.

Bibliografia

  1. Day, R., & Underwood, A. (1989). Quantitative Analytical Chemistry (wyd. Piąte). Sala PEARSON Prentice.
  2. Shiver & Atkins. (2008). Chemia nieorganiczna. (Czwarta edycja). Mc Graw Hill.
  3. Wikipedia. (2019). Kwas węglowy. Odzyskane z: en.wikipedia.org
  4. Danielle Reid. (2019). Kwas węglowy: tworzenie, struktura i równanie chemiczne - film. Nauka. Odzyskany z: study.com
  5. Götz Bucher & Wolfram Sander. (2014). Wyjaśnienie struktury kwasu węglowego. Vol. 346, wydanie 6209, str. 544-545. DOI: 10.1126 / science.1260117
  6. Lynn Yarris. (22 października 2014). Nowe spojrzenie na kwas węglowy w wodzie. Berkeley Lab. Odzyskane z: newscenter.lbl.gov
  7. Claudia Hammond. (14 września 2015). Czy woda gazowana jest dla Ciebie naprawdę zła? Odzyskany z: bbc.com
  8. Jurgen Bernard. (2014). Stały i gazowy kwas węglowy. Instytut Chemii Fizycznej. Uniwersytet w Innsbrucku.

Jeszcze bez komentarzy