Struktura kyseliny uhličité (H2CO3), vlastnosti, syntéza, použití

1164
Robert Johnston

The kyselina uhličitá Je to anorganická sloučenina, i když existují lidé, kteří diskutují o tom, že je ve skutečnosti organická, jejíž chemický vzorec je HdvaCO3. Jedná se tedy o kyselinu diprotovou, schopnou darovat dva H ionty+ do vodného média za vzniku dvou molekulárních kationtů H3NEBO+. Z ní vznikají známé hydrogenuhličitanové ionty (HCO3-) a uhličitan (CO.)3dva-).

Tato zvláštní kyselina, jednoduchá, ale současně zapojená do systémů, kde se mnoho druhů účastní rovnováhy kapalina-pára, je tvořena dvěma základními anorganickými molekulami: vodou a oxidem uhličitým. Přítomnost COdva nerozpuštěný je pozorován, kdykoli ve vodě bublá a stoupá k hladině.

Sklenice se sycenou vodou, jeden z nejběžnějších nápojů, který obsahuje kyselinu uhličitou. Zdroj: Pxhere.

Tento jev se velmi často projevuje v sycených nápojích a sycené vodě..

V případě sycené nebo sycené vody (obrázek výše) bylo takové množství CO rozpuštěnodva že jeho tlak par je více než dvojnásobný oproti atmosférickému tlaku. Pokud není uzavřen, rozdíl v tlaku uvnitř láhve a venku snižuje rozpustnost COdva, takže se objeví bubliny, které nakonec uniknou z kapaliny.

V menší míře k tomu samému dochází v těle čerstvé nebo slané vody: při zahřátí uvolní svůj rozpuštěný obsah CO.dva.

Avšak COdva Je nejen rozpuštěn, ale prochází transformacemi ve své molekule, díky nimž je HdvaCO3; kyselina, která má příliš malou dobu životnosti, ale dost na to, aby označila měřitelnou změnu pH jejího vodného rozpouštědlového média, a také vytvořila jedinečný uhličitanový pufrovací systém.

Rejstřík článků

  • 1 Struktura
    • 1.1 Molekula
    • 1.2 Molekulární interakce
    • 1.3 Čistá kyselina uhličitá
  • 2 Vlastnosti
  • 3 Syntéza
    • 3.1 Rozpuštění
    • 3.2 Rovnováha kapalina-pára
    • 3.3 Čistá pevná látka
  • 4 použití
  • 5 Rizika
  • 6 Reference

Struktura

Molekula

Molekula kyseliny uhličité reprezentovaná modelem koulí a pruhů. Zdroj: Jynto a Ben Mills prostřednictvím Wikipedie.

Nahoře máme molekulu H.dvaCO3, představované koulemi a pruhy. Červená koule odpovídají atomům kyslíku, černá atomu uhlíku a bílá atomům vodíku.

Všimněte si, že od obrázku můžete napsat další platný vzorec pro tuto kyselinu: CO (OH)dva, kde CO se stává karbonylovou skupinou, C = O, navázanou na dvě hydroxylové skupiny, OH. Jelikož existují dvě skupiny OH, schopné darovat své atomy vodíku, je nyní zřejmé, odkud H ionty pocházejí+ uvolněn do středu.

Molekulární struktura kyseliny uhličité.

Všimněte si také, že vzorec CO (OH)dva lze zapsat jako OHCOOH; tj. typu RCOOH, kde R je v tomto případě skupina OH.

Právě z tohoto důvodu, kromě skutečnosti, že molekula je tvořena atomy kyslíku, vodíku a uhlíku, což je v organické chemii příliš běžné, je některými považována kyselina uhličitá za organickou sloučeninu. V části o její syntéze však bude vysvětleno, proč ji ostatní považují za anorganickou a neorganickou..

Molekulární interakce

Molekuly H.dvaCO3 Lze poznamenat, že jeho geometrie je trigonální rovina s uhlíkem umístěným ve středu trojúhelníku. Ve dvou ze svých vrcholů má OH skupiny, které jsou donory vodíkových vazeb; a v druhém zbývajícím je atom kyslíku skupiny C = O, akceptor vodíkových vazeb.

HdvaCO3 má silnou tendenci interagovat s protickými nebo okysličenými (a dusíkatými) rozpouštědly.

A shodou okolností voda splňuje tyto dvě vlastnosti, a taková je afinita k HdvaCO3 pro ni to téměř okamžitě dává H+ a začíná být nastolena rovnováha hydrolýzy, která zahrnuje druhy HCO3- a H3NEBO+.

Proto pouhá přítomnost vody rozkládá kyselinu uhličitou a její izolace jako čisté sloučeniny je příliš komplikovaná..

Čistá kyselina uhličitá

Vracíme se k molekule H.dvaCO3, je nejen plochý, schopný vodíkové vazby, ale může také představovat cis-trans izomerismus; To znamená, že na obrázku máme cis izomer, přičemž dva H směřují stejným směrem, zatímco v trans izomeru by směřovaly opačnými směry.

Cis izomer je stabilnější ze dvou, a proto je obvykle jediným zastoupeným.

Čistá pevná látka HdvaCO3 Skládá se z krystalické struktury složené z vrstev nebo listů molekul interagujících s bočními vodíkovými vazbami. To lze u molekuly H očekávatdvaCO3 ploché a trojúhelníkové. Při sublimaci cyklické dimery (HdvaCO3)dva, které jsou spojeny dvěma vodíkovými vazbami C = O - OH.

Symetrie H krystalůdvaCO3 nebyl pro tuto chvíli schopen definovat. Předpokládalo se, že krystalizuje jako dva polymorfy: α-HdvaCO3 a p-HdvaCO3. Avšak α-HdvaCO3, syntetizován vycházející ze směsi CH3COOH-COdva, ukázalo se, že je to vlastně CH3OCOOH: monomethylester kyseliny uhličité.

Vlastnosti

Bylo zmíněno, že HdvaCO3 je to kyselina diprotová, takže může darovat dva ionty H.+ na médium, které je přijímá. Když je tímto médiem voda, rovnice jeho disociace nebo hydrolýzy jsou:

HdvaCO3(ac) + HdvaO (l) <=> HCO3-(ac) + H3NEBO+(ac) (Ka1 = 2,5 × 10-4)

HCO3-(ac) + HdvaO (l) <=> CO3dva-(ac) + H3NEBO+(ac) (Kadva = 4,69 × 10-11)

HCO3- je anion hydrogenuhličitanu nebo hydrogenuhličitanu a CO3dva- uhličitanový anion. Rovněž jsou uvedeny jejich příslušné rovnovážné konstanty Ka1 a Kadva. Být Kadva pět milionůkrát menší než Ka1, tvorba a koncentrace CO3dva- jsou opovrženíhodní.

I když se tedy jedná o kyselinu diprotovou, druhá H+ stěží to znatelně uvolní. Avšak přítomnost COdva rozpuštěné ve velkých množstvích stačí k okyselení média; v tomto případě voda, snižující hodnoty pH (pod 7).

Mluvit o kyselině uhličité znamená prakticky odkazovat na vodný roztok, kde převažují druhy HCO3- a H3NEBO+; nelze jej izolovat běžnými metodami, protože sebemenší pokus by posunul rovnováhu rozpustnosti COdva k tvorbě bublin, které by unikly z vody.

Syntéza

Rozpuštění

Kyselina uhličitá je jednou z nejjednodušších sloučenin k syntéze. Jak? Nejjednodušší metodou je probublávat vzduch, který vydechujeme, pomocí slámy nebo slámy do objemu vody. Protože v podstatě vydechujeme COdva, To probublává ve vodě a rozpustí její malou část.

Když to uděláme, dojde k následující reakci:

COdva(g) + HdvaO (l) <=> HdvaCO3(ac)

Na druhé straně je třeba vzít v úvahu rozpustnost CO.dva ve vodě:

COdva(G) <=> COdva(ac)

Oba COdva jako HdvaO jsou anorganické molekuly, takže HdvaCO3 z tohoto hlediska je to anorganické.

Rovnováha kapalných par

Ve výsledku máme systém v rovnováze, který je vysoce závislý na parciálních tlacích COdva, stejně jako teplota kapaliny.

Například pokud je tlak COdva zvyšuje (v případě, že vzduch vyfoukneme s větší silou přes slámu), vytvoří se více HdvaCO3 a pH bude kyselější; protože první rovnováha se posune doprava.

Na druhou stranu, pokud zahřáme roztok HdvaCO3, sníží rozpustnost COdva ve vodě, protože je to plyn, a rovnováha se poté posune doleva (bude méně HdvaCO3). Podobné to bude, když se pokusíme aplikovat vakuum: COdva bude unikat stejně jako molekuly vody, což by znovu posunulo rovnováhu doleva.

Čistá pevná látka

Výše uvedené nám umožňuje dospět k závěru: z řešení HdvaCO3 neexistuje způsob, jak konvenční metodou syntetizovat tuto kyselinu jako čistou pevnou látku. Bylo to však provedeno od 90. let minulého století, a to z pevných směsí COdva a HdvaNEBO.

K této pevné směsi COdva-HdvaNebo na 50% je bombardován protony (typ kosmického záření), takže ani jedna ze dvou složek neunikne a dojde k tvorbě HdvaCO3. Pro tento účel byla také použita směs CH.3OH-COdva (pamatujte na α-HdvaCO3).

Další metodou je udělat totéž, ale přímo pomocí suchého ledu, nic víc..

Ze tří metod se vědcům NASA podařilo dospět k jednomu závěru: čistá kyselina uhličitá, pevná nebo plynná, může existovat v ledových satelitech Jupiteru, v marťanských ledovcích a v kometách, kde jsou tyto pevné směsi neustále ozařovány kosmickými paprsky..

Aplikace

Samotná kyselina uhličitá je zbytečná sloučenina. Z jeho řešení však lze připravit pufry založené na párech HCO.3-/ CO3dva- nebo HdvaCO3/ HCO3-.

Díky těmto roztokům a působení enzymu karboanhydrázy přítomného v červených krvinkách, COdva vyrobený v dýchání může být transportován v krvi do plic, kde je nakonec uvolněn k výdechu mimo naše tělo.

Probublávání COdva používá se k poskytnutí nealkoholických nápojů příjemný a charakteristický pocit, který při pití zanechávají v krku.

Podobně přítomnost HdvaCO3 Má geologický význam při tvorbě vápencových stalaktitů, protože je pomalu rozpouští, dokud nevzniknou špičaté povrchové úpravy.

A na druhé straně lze jeho řešení použít k přípravě některých kovových hydrogenuhličitanů; i když z tohoto důvodu je výhodnější a snadnější přímo použít hydrogenuhličitanovou sůl (NaHCO3, například).

Rizika

Kyselina uhličitá má za normálních podmínek tak nízkou životnost (odhadují se asi na 300 nanosekund), že je prakticky neškodná pro životní prostředí a živé bytosti. Jak již bylo řečeno, to však neznamená, že nemůže způsobit znepokojivou změnu pH vody oceánu, která by ovlivnila mořskou faunu..

Na druhou stranu se skutečné „riziko“ nachází v příjmu vody sycené oxidem uhličitým, protože množství COdva rozpuštěný v nich je mnohem vyšší než v normální vodě. Neexistují však žádné studie, které by ukázaly, že pití vody sycené oxidem uhličitým představuje riziko ohrožující život; pokud to dokonce doporučují, aby se postili a bojovali proti zažívacím problémům.

Jediným negativním účinkem pozorovaným u těch, kteří pijí tuto vodu, je pocit plnosti, protože jejich žaludky se plní plyny. Kromě toho (nemluvě o sodách, protože jsou tvořeny mnohem více než jen kyselinou uhličitou), lze říci, že tato sloučenina není vůbec toxická.

Reference

  1. Day, R., & Underwood, A. (1989). Kvantitativní analytická chemie (páté vydání). PEARSON Prentice Hall.
  2. Shiver & Atkins. (2008). Anorganická chemie. (Čtvrté vydání). Mc Graw Hill.
  3. Wikipedia. (2019). Kyselina uhličitá. Obnoveno z: en.wikipedia.org
  4. Danielle Reid. (2019). Kyselina uhličitá: Video o formování, struktuře a chemických rovnicích. Studie. Obnoveno z: study.com
  5. Götz Bucher & Wolfram Sander. (2014). Vyjasnění struktury kyseliny uhličité. 346, číslo 6209, str. 544-545. DOI: 10.1126 / science.1260117
  6. Lynn Yarris. (22. října 2014). Nové poznatky o kyselině uhličité ve vodě. Berkeley Lab. Obnoveno z: newscenter.lbl.gov
  7. Claudia Hammond. (2015, 14. září). Je pro vás perlivá voda opravdu špatná? Obnoveno z: bbc.com
  8. Jurgen Bernard. (2014). Pevná a plynná kyselina uhličitá. Ústav fyzikální chemie. University of Innsbruck.

Zatím žádné komentáře