- Структура
- молекула
- Молекулярные взаимодействия
- Чистая угольная кислота
- свойства
- Синтез
- роспуск
- Равновесие жидкость-пар
- Чистое твердое вещество
- Приложения
- риски
- Ссылки
Угольная кислота представляет собой неорганическое соединение, хотя некоторые дебаты на самом деле является органическим, химическая формула Н 2 СО 3 . Следовательно, это дипротонная кислота, способная отдавать два иона H + в водную среду с образованием двух молекулярных катионов H 3 O + . Из него возникают хорошо известные бикарбонатные (HCO 3 - ) и карбонатные (CO 3 2- ) ионы .
Эта своеобразная кислота, простая, но в то же время участвующая в системах, в которых в балансе жидкость-пар участвуют многочисленные виды, образована двумя основными неорганическими молекулами: водой и диоксидом углерода. Присутствие нерастворенного CO 2 наблюдается всякий раз, когда в воде появляются пузырьки, поднимающиеся к поверхности.
Стакан с газированной водой, один из самых распространенных напитков, содержащих углекислоту. Источник: Pxhere.
Это явление очень часто наблюдается в газированных напитках и газированной воде.
В случае газированной или газированной воды (верхнее изображение) растворено такое количество CO 2 , что давление его пара более чем вдвое превышает атмосферное давление. При открытии крышки разница давления внутри бутылки и снаружи снижает растворимость CO 2 , поэтому появляются пузырьки, которые в конечном итоге выходят из жидкости.
В меньшей степени то же самое происходит с любым телом с пресной или соленой водой: при нагревании они выделяют растворенный CO 2 .
Однако CO 2 не только растворяется, но и претерпевает превращения в своей молекуле, которые превращают его в H 2 CO 3 ; кислота, у которой слишком мало времени жизни, но достаточно, чтобы отметить измеримое изменение pH ее водной среды растворителя, а также создать уникальную карбонатную буферную систему.
Структура
молекула
Молекула угольной кислоты представлена моделью сфер и стержней. Источник: Джинто и Бен Миллс через Википедию.
Выше мы видим молекулу H 2 CO 3 , представленную сферами и полосами. Красные сферы соответствуют атомам кислорода, черные - атому углерода, а белые - атомам водорода.
Обратите внимание, что, начиная с изображения, вы можете написать другую действительную формулу для этой кислоты: CO (OH) 2 , где CO становится карбонильной группой, C = O, связанной с двумя гидроксильными группами, OH. Поскольку есть две группы OH, способные отдавать свои атомы водорода, теперь понятно, откуда берутся ионы H + , высвобождаемые в окружающую среду.
Молекулярная структура угольной кислоты.
Также обратите внимание, что формулу CO (OH) 2 можно записать как OHCOOH; то есть типа RCOOH, где R в данном случае представляет собой группу ОН.
Именно по этой причине, в дополнение к тому факту, что молекула состоит из атомов кислорода, водорода и углерода, которые очень распространены в органической химии, некоторые считают угольную кислоту органическим соединением. Однако в разделе о его синтезе будет объяснено, почему другие считают его неорганическим и неорганическим по природе.
Молекулярные взаимодействия
Что касается молекулы H 2 CO 3, можно сказать , что ее геометрия представляет собой тригональную плоскость, причем углерод находится в центре треугольника. В двух своих вершинах он имеет группы ОН, которые являются донорами водородных связей; а в другом оставшемся - атом кислорода группы C = O, акцептор водородных связей.
Таким образом, H 2 CO 3 имеет сильную тенденцию взаимодействовать с протонными или кислородсодержащими (и азотистыми) растворителями.
И по совпадению вода соответствует этим двум характеристикам, и сродство H 2 CO 3 к ней таково, что почти сразу она отдает H +, и начинает устанавливаться равновесие гидролиза, в котором участвуют частицы HCO 3 - и H 3 O. + .
Вот почему простое присутствие воды расщепляет углекислоту, что затрудняет ее выделение как чистое соединение.
Чистая угольная кислота
Возвращаясь к молекуле H 2 CO 3 , она не только плоская, способна образовывать водородные связи, но также может представлять цис-транс-изомерию; Это означает, что на изображении у нас есть цис-изомер с двумя H, указывающими в одном направлении, в то время как в транс-изомере они будут указывать в противоположных направлениях.
Цис-изомер является более стабильным из двух, и поэтому он единственный, который обычно представлен.
Чистое твердое вещество H 2 CO 3 состоит из кристаллической структуры, состоящей из слоев или слоев молекул, взаимодействующих с боковыми водородными связями. Этого следовало ожидать, поскольку молекула H 2 CO 3 является плоской и треугольной. Когда он сублимируется, появляются циклические димеры (H 2 CO 3 ) 2 , которые соединены двумя водородными связями C = O-OH.
Симметрия кристаллов H 2 CO 3 на данный момент не определена. Считалось, что он кристаллизовался в виде двух полиморфов: α-H 2 CO 3 и β-H 2 CO 3 . Однако было показано , что α-H 2 CO 3 , синтезированный из смеси CH 3 COOH-CO 2 , на самом деле представляет собой CH 3 OCOOH: монометиловый эфир угольной кислоты.
свойства
Было упомянуто, что H 2 CO 3 является дипротонной кислотой, поэтому она может отдавать два иона H + среде, которая их принимает. Когда эта среда представляет собой воду, уравнения ее диссоциации или гидролиза следующие:
H 2 CO 3 (водн.) + H 2 O (l) <=> HCO 3 - (водн.) + H 3 O + (водн.) (Ka 1 = 2,5 × 10 −4 )
HCO 3 - (водн.) + H 2 O (l) <=> CO 3 2- (водн.) + H 3 O + (водн.) (Ka 2 = 4,69 × 10 -11 )
HCO 3 - это бикарбонатный или гидрокарбонатный анион, а CO 3 2 - карбонатный анион. Также указаны их соответствующие константы равновесия Ka 1 и Ka 2 . Поскольку Ka 2 в пять миллионов раз меньше Ka 1 , образование и концентрация CO 3 2- незначительны.
Таким образом, даже если это дипротонная кислота, второй H + едва ли может ее заметно высвобождать. Однако наличие растворенного CO 2 в больших количествах достаточно для подкисления среды; в данном случае вода, понижая ее значение pH (ниже 7).
Говорить об угольной кислоте практически означает относиться к водному раствору, в котором преобладают разновидности HCO 3 - и H 3 O + ; его нельзя изолировать обычными методами, так как малейшая попытка сместит баланс растворимости CO 2 в сторону образования пузырьков, которые будут выходить из воды.
Синтез
роспуск
Угольная кислота - одно из самых простых для синтеза соединений. Как? Самый простой метод - превратить выдыхаемый нами воздух в объем воды с помощью соломинки или соломинки. Поскольку мы, по сути, выдыхаем CO 2 , он будет пузыриться в воде, растворяя небольшую ее часть.
Когда мы это делаем, происходит следующая реакция:
CO 2 (г) + H 2 O (л) <=> H 2 CO 3 (водн.)
Но, в свою очередь, необходимо учитывать растворимость CO 2 в воде:
CO 2 (г) <=> CO 2 (водн.)
И CO 2, и H 2 O являются неорганическими молекулами, поэтому H 2 CO 3 с этой точки зрения неорганический.
Равновесие жидкость-пар
В результате у нас есть равновесная система, которая сильно зависит от парциального давления CO 2 , а также от температуры жидкости.
Например, если давление CO 2 увеличивается (в случае, когда мы продуваем воздух с большей силой через соломинку), образуется больше H 2 CO 3 , и pH становится более кислым; так как первое равновесие смещается вправо.
С другой стороны, если мы нагреем раствор H 2 CO 3 , растворимость CO 2 в воде уменьшится, потому что это газ, и тогда равновесие сместится влево (H 2 CO 3 будет меньше ). То же самое будет, если мы попытаемся создать вакуум: CO 2 улетучится вместе с молекулами воды, что снова сместит баланс влево.
Чистое твердое вещество
Сказанное выше позволяет сделать вывод: из раствора H 2 CO 3 невозможно синтезировать эту кислоту в виде чистого твердого вещества обычным методом. Однако это делается еще с 90-х годов прошлого века, исходя из твердых смесей CO 2 и H 2 O.
Эта твердая смесь 50% CO 2 -H 2 O бомбардируется протонами (разновидность космического излучения), так что ни один из двух компонентов не улетучивается, и происходит образование H 2 CO 3 . Для этой цели также использовалась смесь CH 3 OH-CO 2 (вспомните α-H 2 CO 3 ).
Другой метод - сделать то же самое, но только с использованием сухого льда.
Из трех методов ученые НАСА смогли прийти к одному выводу: чистая углекислота, твердая или газообразная, может существовать на ледяных спутниках Юпитера, в марсианских ледниках и кометах, где такие твердые смеси постоянно облучаются. космическими лучами.
Приложения
Сама по себе угольная кислота - бесполезное соединение. Однако из их растворов можно приготовить буферные растворы на основе пар HCO 3 - / CO 3 2- или H 2 CO 3 / HCO 3 - .
Благодаря этим растворам и действию фермента карбоангидразы, присутствующего в эритроцитах, CO 2, образующийся при дыхании, может переноситься с кровью в легкие, где он, наконец, высвобождается для выдоха за пределы нашего тела.
Барботирование CO 2 используется для придания безалкогольным напиткам приятного и характерного ощущения, которое они оставляют в горле при их употреблении.
Точно так же присутствие H 2 CO 3 имеет геологическое значение при образовании известняковых сталактитов, поскольку он медленно растворяет их, пока они не приобретут остроконечную поверхность.
С другой стороны, его растворы можно использовать для приготовления некоторых бикарбонатов металлов; хотя для этого выгоднее и проще напрямую использовать бикарбонатную соль (например, NaHCO 3 ).
риски
У угольной кислоты такой незначительный срок службы в нормальных условиях (они оценивают около 300 наносекунд), что она практически безвредна для окружающей среды и живых существ. Однако, как было сказано ранее, это не означает, что он не может вызвать тревожное изменение pH океанской воды, влияющее на морскую фауну.
С другой стороны, реальный «риск» заключается в употреблении газированной воды, поскольку количество растворенного в ней CO 2 намного выше, чем в обычной воде. Однако, опять же, нет исследований, которые показали бы, что употребление газированной воды представляет собой смертельный риск; если даже рекомендуют поститься и бороться с несварением желудка.
Единственный отрицательный эффект, наблюдаемый у тех, кто пьет эту воду, - это чувство сытости, поскольку их желудок наполняется газами. Помимо этого (не говоря уже о газированных напитках, поскольку они состоят не только из угольной кислоты), можно сказать, что это соединение совсем не токсично.
Ссылки
- Дэй Р. и Андервуд А. (1989). Количественная аналитическая химия (пятое изд.). ПИРСОН Прентис Холл.
- Шивер и Аткинс. (2008). Неорганическая химия. (Четвертое издание). Мак Гроу Хилл.
- Wikipedia. (2019). Угольная кислота. Получено с: en.wikipedia.org
- Даниэль Рид. (2019). Угольная кислота: образование, структура и химические уравнения. Видео. Учиться. Получено с: study.com
- Гётц Бухер и Вольфрам Сандер. (2014). Уточнение структуры угольной кислоты. Том 346, Выпуск 6209, стр. 544-545. DOI: 10.1126 / science.1260117
- Линн Яррис. (22 октября 2014 г.). Новые взгляды на угольную кислоту в воде. Лаборатория Беркли. Получено с: newscenter.lbl.gov.
- Клаудия Хэммонд. (2015, 14 сентября). Газированная вода действительно вредна для вас? Получено с: bbc.com
- Юрген Бернар. (2014). Твердая и газообразная углекислота. Институт физической химии. Университет Инсбрука.