- Kết cấu
- Phân tử
- Tương tác phân tử
- Axit cacbonic tinh khiết
- Tính chất
- Tổng hợp
- Giải tán
- Cân bằng hơi lỏng
- Nguyên chất rắn
- Các ứng dụng
- Rủi ro
- Người giới thiệu
Các axit carbonic là một hợp chất vô cơ, mặc dù một số cuộc tranh luận thực sự là hữu cơ, công thức hóa học H 2 CO 3 . Do đó, nó là một axit diprotic, có khả năng cho hai ion H + vào môi trường nước để tạo ra hai cation phân tử H 3 O + . Từ đó sinh ra các ion bicacbonat (HCO 3 - ) và cacbonat (CO 3 2- ) nổi tiếng.
Loại axit đặc biệt này, đơn giản, nhưng đồng thời tham gia vào các hệ thống mà nhiều loài tham gia vào cân bằng hơi lỏng, được hình thành từ hai phân tử vô cơ cơ bản: nước và carbon dioxide. Sự hiện diện của CO 2 chưa hòa tan được quan sát thấy bất cứ khi nào có bọt trong nước, nổi lên trên bề mặt.
Ly đựng nước có ga, một trong những loại đồ uống phổ biến nhất có chứa axit cacbonic. Nguồn: Pxhere.
Hiện tượng này thấy rất thường xuyên ở đồ uống có ga và nước có ga.
Trong trường hợp nước có ga hoặc có ga (hình trên), một lượng CO 2 đã hòa tan đến mức áp suất hơi của nó lớn hơn gấp đôi áp suất khí quyển. Khi mở nắp, sự chênh lệch áp suất bên trong bình và bên ngoài làm giảm khả năng hòa tan của CO 2 , đó là lý do tại sao các bọt khí xuất hiện cuối cùng thoát ra khỏi chất lỏng.
Ở một mức độ thấp hơn, điều tương tự cũng xảy ra trong bất kỳ cơ thể nước ngọt hoặc nước mặn nào: khi đun nóng chúng sẽ giải phóng hàm lượng CO 2 hòa tan .
Tuy nhiên, CO 2 không chỉ bị hòa tan, mà còn trải qua các biến đổi trong phân tử của nó biến nó thành H 2 CO 3 ; một axit có thời gian tồn tại quá ít, nhưng đủ để đánh dấu sự thay đổi có thể đo được trong độ pH của môi trường dung môi nước của nó, và cũng tạo ra một hệ đệm cacbonat duy nhất.
Kết cấu
Phân tử
Phân tử axit cacbonic được biểu diễn bằng mô hình hình cầu và thanh. Nguồn: Jynto và Ben Mills qua Wikipedia.
Ở trên chúng ta có phân tử H 2 CO 3 , được biểu diễn bằng hình cầu và thanh. Các quả cầu màu đỏ tương ứng với các nguyên tử oxy, màu đen là nguyên tử cacbon và màu trắng tương ứng với nguyên tử hydro.
Lưu ý rằng bắt đầu từ hình ảnh, bạn có thể viết một công thức hợp lệ khác cho axit này: CO (OH) 2 , trong đó CO trở thành nhóm cacbonyl, C = O, liên kết với hai nhóm hydroxyl, OH. Vì có hai nhóm OH, có khả năng hiến tặng các nguyên tử hydro của chúng, nên bây giờ người ta đã hiểu các ion H + được giải phóng vào môi trường đến từ đâu.
Cấu tạo phân tử của axit cacbonic.
Cũng lưu ý rằng công thức CO (OH) 2 có thể được viết dưới dạng OHCOOH; có nghĩa là, thuộc loại RCOOH, trong đó R trong trường hợp này là một nhóm OH.
Chính vì lý do này, ngoài thực tế là phân tử được tạo thành từ các nguyên tử oxy, hydro và cacbon, tất cả đều quá phổ biến trong hóa học hữu cơ, axit cacbonic được một số người coi là một hợp chất hữu cơ. Tuy nhiên, trong phần tổng hợp của nó, nó sẽ được giải thích tại sao những người khác coi nó là vô cơ và phi hữu cơ trong tự nhiên.
Tương tác phân tử
Trong phân tử H 2 CO 3, có thể nhận xét rằng hình học của nó là mặt phẳng tam giác, với cacbon nằm ở tâm của tam giác. Trong hai đỉnh của nó, nó có các nhóm OH, là những chất cho liên kết hydro; và trong nguyên tử còn lại, một nguyên tử oxy của nhóm C = O, chất nhận liên kết hydro.
Do đó, H 2 CO 3 có xu hướng tương tác mạnh với các dung môi protic hoặc oxy (và nitơ).
Và thật trùng hợp, nước đáp ứng được hai đặc điểm này, và ái lực của H 2 CO 3 đối với nó đến mức gần như ngay lập tức nó tạo ra H + và cân bằng thủy phân bắt đầu được thiết lập liên quan đến các loài HCO 3 - và H 3 O. + .
Đó là lý do tại sao sự hiện diện đơn thuần của nước sẽ phân hủy axit cacbonic và gây khó khăn cho việc phân lập nó như một hợp chất tinh khiết.
Axit cacbonic tinh khiết
Trở lại với phân tử H 2 CO 3 , nó không chỉ phẳng, có khả năng thiết lập liên kết hydro mà còn có thể hiện diện đồng phân cis-trans; Đây là, trong hình chúng ta có đồng phân cis, với hai chữ H hướng theo cùng một hướng, trong khi ở đồng phân trans chúng sẽ hướng ngược chiều nhau.
Đồng phân cis là chất ổn định hơn trong số hai chất, và đó là lý do tại sao nó là chất duy nhất thường được đại diện.
Chất rắn tinh khiết của H 2 CO 3 bao gồm cấu trúc tinh thể bao gồm các lớp hoặc tấm phân tử tương tác với các liên kết hydro bên. Điều này được mong đợi, phân tử H 2 CO 3 là phẳng và hình tam giác. Khi nó thăng hoa, xuất hiện các đipeptit (H 2 CO 3 ) 2 , liên kết với nhau bằng hai liên kết hiđro C = O-OH.
Tính đối xứng của các tinh thể H 2 CO 3 hiện vẫn chưa được xác định. Nó được coi là kết tinh dưới dạng hai đa hình: α-H 2 CO 3 và β-H 2 CO 3 . Tuy nhiên, α-H 2 CO 3 , được tổng hợp từ hỗn hợp CH 3 COOH-CO 2 , được chứng minh là thực sự là CH 3 OCOOH: một monometyl este của axit cacbonic.
Tính chất
Người ta đã đề cập rằng H 2 CO 3 là một axit điprotic, vì vậy nó có thể tặng hai ion H + vào môi trường chấp nhận chúng. Khi môi trường này là nước, phương trình phân ly hoặc thủy phân của nó là:
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 - là anion bicacbonat hoặc hydro cacbonat, và CO 3 2- là anion cacbonat. Các hằng số cân bằng tương ứng của chúng, Ka 1 và Ka 2, cũng được chỉ ra . Vì Ka 2 nhỏ hơn Ka 1 5 triệu lần nên sự hình thành và nồng độ của CO 3 2- là không đáng kể.
Vì vậy, mặc dù nó là một axit diprotic, H + thứ hai hầu như không thể giải phóng nó một cách đáng kể. Tuy nhiên, sự có mặt của CO 2 hòa tan với số lượng lớn đủ để axit hóa môi trường; trong trường hợp này là nước, làm giảm giá trị pH của nó (dưới 7).
Nói đến axit cacbonic thực tế là nói đến một dung dịch nước trong đó các loài HCO 3 - và H 3 O + chiếm ưu thế ; nó không thể được phân lập bằng các phương pháp thông thường, vì nỗ lực nhỏ nhất cũng sẽ làm chuyển cân bằng độ hòa tan CO 2 thành sự hình thành các bong bóng thoát ra khỏi nước.
Tổng hợp
Giải tán
Axit cacbonic là một trong những hợp chất dễ tổng hợp nhất. Làm sao? Phương pháp đơn giản nhất là làm bong bóng, với sự trợ giúp của ống hút hoặc ống hút, không khí chúng ta thở ra thành một thể tích nước. Bởi vì về cơ bản chúng ta thở ra CO 2 , nó sẽ bong bóng vào nước, hòa tan một phần nhỏ của nó.
Khi chúng ta làm điều này, phản ứng sau xảy ra:
CO 2 (g) + H 2 O (l) <=> H 2 CO 3 (aq)
Nhưng ngược lại, độ tan của CO 2 trong nước phải được xem xét :
CO 2 (g) <=> CO 2 (aq)
Cả CO 2 và H 2 O đều là phân tử vô cơ, do đó, H 2 CO 3 là vô cơ theo quan điểm này.
Cân bằng hơi lỏng
Kết quả là, chúng ta có một hệ thống cân bằng phụ thuộc nhiều vào áp suất riêng phần của CO 2 , cũng như nhiệt độ của chất lỏng.
Ví dụ, nếu áp suất của CO 2 tăng lên (trong trường hợp chúng ta thổi không khí với lực mạnh hơn qua ống hút), nhiều H 2 CO 3 sẽ được tạo thành và pH sẽ trở nên axit hơn; kể từ đó, trạng thái cân bằng đầu tiên dịch chuyển sang phải.
Mặt khác, nếu ta đun nóng dung dịch H 2 CO 3 thì độ tan của CO 2 trong nước sẽ giảm vì nó là chất khí, lúc đó cân bằng sẽ chuyển dịch sang trái (sẽ có ít H 2 CO 3 hơn ). Nó sẽ tương tự nếu chúng ta cố gắng áp dụng chân không: CO 2 sẽ thoát ra ngoài cùng với các phân tử nước, điều này sẽ làm chuyển dịch cân bằng sang trái một lần nữa.
Nguyên chất rắn
Trên đây cho phép chúng tôi đi đến kết luận: từ dung dịch H 2 CO 3 không có cách nào để tổng hợp axit này thành chất rắn nguyên chất bằng phương pháp thông thường. Tuy nhiên, nó đã được thực hiện, từ những năm 90 của thế kỷ trước, bắt đầu từ hỗn hợp rắn CO 2 và H 2 O.
Hỗn hợp 50% CO 2 -H 2 O rắn này được bắn phá bằng proton (một loại bức xạ vũ trụ), do đó không thành phần nào thoát ra ngoài và sự hình thành H 2 CO 3 xảy ra . Với mục đích này, hỗn hợp CH 3 OH-CO 2 cũng đã được sử dụng (nhớ α-H 2 CO 3 ).
Một phương pháp khác cũng làm tương tự nhưng sử dụng đá khô trực tiếp, không cần gì hơn.
Trong ba phương pháp, các nhà khoa học NASA có thể đưa ra một kết luận: axit cacbonic tinh khiết, ở thể rắn hoặc thể khí, có thể tồn tại trong các vệ tinh băng giá của Sao Mộc, trong sông băng của Sao Hỏa và trong các sao chổi, nơi các hỗn hợp rắn như vậy được chiếu xạ liên tục. bằng tia vũ trụ.
Các ứng dụng
Bản thân axit cacbonic là một hợp chất vô dụng. Tuy nhiên, từ các dung dịch của chúng, có thể điều chế các dung dịch đệm dựa trên các cặp HCO 3 - / CO 3 2- hoặc H 2 CO 3 / HCO 3 - .
Nhờ các dung dịch này và hoạt động của enzym carbonic anhydrase, có trong tế bào hồng cầu, CO 2 sinh ra trong quá trình hô hấp có thể được vận chuyển trong máu đến phổi, nơi cuối cùng nó được giải phóng để thở ra bên ngoài cơ thể chúng ta.
Sự sủi bọt khí của CO 2 được sử dụng để tạo cho nước giải khát cảm giác dễ chịu và đặc trưng mà chúng đọng lại trong cổ họng khi uống.
Tương tự như vậy, sự hiện diện của H 2 CO 3 có tầm quan trọng về mặt địa chất trong việc hình thành các nhũ đá đá vôi, vì nó từ từ làm chúng tan dần cho đến khi chúng bắt nguồn từ các kết thúc nhọn của chúng.
Và mặt khác, dung dịch của nó có thể được sử dụng để điều chế một số bicacbonat kim loại; mặc dù đối với điều này, việc sử dụng trực tiếp muối bicarbonat sẽ có lợi hơn và dễ dàng hơn ( ví dụ như NaHCO 3 ).
Rủi ro
Axit cacbonic có tuổi thọ thấp đến mức trong điều kiện bình thường (ước tính khoảng 300 nano giây) nên thực tế nó vô hại đối với môi trường và chúng sinh. Tuy nhiên, như đã nói trước đây, điều đó không có nghĩa là nó không thể tạo ra sự thay đổi đáng lo ngại về độ pH của nước đại dương, ảnh hưởng đến hệ động vật biển.
Mặt khác, "rủi ro" thực sự được tìm thấy trong việc uống nước có ga, vì lượng CO 2 hòa tan trong chúng cao hơn nhiều so với nước bình thường. Tuy nhiên, và một lần nữa, không có nghiên cứu nào chứng minh rằng uống nước có ga gây nguy cơ tử vong; nếu họ thậm chí giới thiệu nó để nhịn ăn và chống lại chứng khó tiêu.
Tác động tiêu cực duy nhất quan sát được ở những người uống nước này là cảm giác no, khi dạ dày của họ đầy khí. Bên ngoài điều này (không kể đến nước sô-đa, vì chúng được tạo thành từ nhiều thứ không chỉ là axit cacbonic), có thể nói rằng hợp chất này không hề độc hại.
Người giới thiệu
- Day, R., & Underwood, A. (1989). Hóa phân tích định lượng (xuất bản lần thứ năm). Sảnh Prentice của PEARSON.
- Rùng mình & Atkins. (2008). Hóa học vô cơ. (Tái bản lần thứ tư). Đồi Mc Graw.
- Wikipedia. (2019). Axit carbonic. Khôi phục từ: en.wikipedia.org
- Danielle Reid. (2019). Axit cacbonic: Video sự hình thành, cấu trúc và phương trình hóa học. Học. Phục hồi từ: study.com
- Götz Bucher và Wolfram Sander. (2014). Làm rõ công thức cấu tạo của axit cacbonic. Tập 346, Số 6209, pp. 544-545. DOI: 10.1126 / science.1260117
- Lynn Yarris. (Ngày 22 tháng 10 năm 2014). Những hiểu biết mới về axit cacbonic trong nước. Berkeley Lab. Được khôi phục từ: newscenter.lbl.gov
- Claudia Hammond. (2015, ngày 14 tháng 9). Nước có ga có thực sự không tốt cho bạn? Phục hồi từ: bbc.com
- Jurgen Bernard. (2014). Axit cacbonic ở thể rắn và thể khí. Viện Hóa lý. Đại học Innsbruck.