- بناء
- مركب
- التفاعلات الجزيئية
- حمض الكربونيك النقي
- الخصائص
- نتيجة الجمع بين الطريحة والنقيضة
- تحلل
- توازن بخار السائل
- صلبة نقية
- التطبيقات
- المخاطر
- المراجع
و حمض الكربونيك هو مركب غير العضوية، على الرغم من بعض الجدل هو في الواقع العضوية، والصيغة الكيميائية H 2 CO 3. لذلك فهو حمض ثنائي البروتين ، قادر على التبرع باثنين من أيونات H + للوسط المائي لتوليد كاتيونيين جزيئيين H 3 O +. ينشأ منه البيكربونات المعروفة (HCO 3 -) وأيونات الكربونات (CO 3 2-).
يتشكل هذا الحمض الغريب ، البسيط ، ولكنه يشارك في نفس الوقت في الأنظمة التي تشارك فيها أنواع عديدة في توازن بخار السائل ، من جزيئين أساسيين غير عضويين: الماء وثاني أكسيد الكربون. وجود غير منحل CO 2 لوحظ عند وجود فقاعات في الماء، ويرتفع نحو السطح.
الزجاج المليء بالمياه الغازية ، أحد أكثر المشروبات شيوعًا التي تحتوي على حمض الكربونيك. المصدر: Pxhere.
تظهر هذه الظاهرة بانتظام في المشروبات الغازية والمياه الغازية.
في حالة المياه الغازية أو الغازي (الصورة العليا)، هذا القدر من CO 2 قد حلت أن ضغط بخاره هو أكثر من ضعف ما كان عليه الضغط الجوي. عندما uncapping ذلك، فإن اختلاف الضغط داخل الزجاجة والخارج يقلل من ذوبان CO 2 ، وهذا هو السبب تظهر الفقاعات التي في نهاية المطاف الهروب من السائل.
وبدرجة أقل، والشيء نفسه يحدث في أي هيئة من المياه العذبة أو المالحة: عند تسخينها أنها ستفرج عن حل CO على 2 المحتوى.
ومع ذلك، CO 2 هو ليس فقط حل، ولكن يمر بها التحولات في جزيء من أن تحويلها إلى H 2 CO 3. حمض له فترة حياة قليلة جدًا ، ولكنه يكفي لتحديد تغيير قابل للقياس في الرقم الهيدروجيني لوسط المذيب المائي الخاص به ، وأيضًا توليد نظام عازل فريد من الكربونات.
بناء
مركب
يتم تمثيل جزيء حمض الكربونيك بنموذج الكرات والقضبان. المصدر: جينتو وبن ميلز عبر ويكيبيديا.
أعلاه لدينا جزيء H 2 CO 3 ، ممثلة بالكرات والقضبان. الكرات الحمراء تتطابق مع ذرات الأكسجين ، والأسود مع ذرة الكربون ، والأبيض إلى ذرات الهيدروجين.
لاحظ أنه بدءًا من الصورة يمكنك كتابة صيغة أخرى صالحة لهذا الحمض: CO (OH) 2 ، حيث يصبح CO هو مجموعة الكربونيل ، C = O ، المرتبطة بمجموعتي هيدروكسيل ، OH. نظرًا لوجود مجموعتين OH ، القادرة على التبرع بذرات الهيدروجين ، فمن المفهوم الآن من أين تأتي أيونات H + التي يتم إطلاقها في البيئة.
التركيب الجزيئي لحمض الكربونيك.
لاحظ أيضًا أنه يمكن كتابة الصيغة CO (OH) 2 كـ OHCOOH؛ وهذا يعني ، من نوع RCOOH ، حيث R في هذه الحالة هي مجموعة OH.
لهذا السبب ، بالإضافة إلى حقيقة أن الجزيء يتكون من ذرات الأكسجين والهيدروجين والكربون ، وكلها شائعة جدًا في الكيمياء العضوية ، يعتبر البعض أن حمض الكربونيك مركب عضوي. ومع ذلك ، في القسم الخاص بتركيبها ، سيتم شرح سبب اعتبار الآخرين أنها غير عضوية وغير عضوية بطبيعتها.
التفاعلات الجزيئية
بالنسبة لجزيء H 2 CO 3 ، يمكن التعليق على أن هندسته عبارة عن مستوى مثلث ، حيث يقع الكربون في وسط المثلث. يوجد في اثنين من رؤوسه مجموعات OH ، وهي جهات مانحة لرابطة الهيدروجين ؛ وفي المجموعة الأخرى المتبقية ، ذرة أكسجين من المجموعة C = O ، متقبل الروابط الهيدروجينية.
وبالتالي ، فإن H 2 CO 3 لديه ميل قوي للتفاعل مع المذيبات البروتونية أو المؤكسدة (والنيتروجينية).
وبالمصادفة ، يلتقي الماء بهاتين الخاصيتين ، وتقارب H 2 CO 3 لأنه يتخلى على الفور تقريبًا عن H + ويبدأ توازن التحلل المائي الذي يشمل الأنواع HCO 3 - و H 3 O +.
هذا هو السبب في أن مجرد وجود الماء يكسر حمض الكربونيك ويجعل عزله كمركب نقي أمرًا صعبًا للغاية.
حمض الكربونيك النقي
بالعودة إلى جزيء H 2 CO 3 ، فهو ليس فقط مسطحًا ، قادرًا على تكوين روابط هيدروجينية ، ولكن يمكنه أيضًا أن يقدم تماثل متشابك ؛ هذا ، في الصورة لدينا أيزومر رابطة الدول المستقلة ، حيث يشير كلاهما H في نفس الاتجاه ، بينما في الايزومر العابر سوف يشيرون في اتجاهين متعاكسين.
ايزومر رابطة الدول المستقلة هو الأكثر ثباتًا بين الاثنين ، وهذا هو السبب في أنه الوحيد الذي يتم تمثيله عادةً.
تتكون المادة الصلبة النقية من H 2 CO 3 من بنية بلورية تتكون من طبقات أو صفائح من الجزيئات تتفاعل مع روابط الهيدروجين الجانبية. هذا أمر متوقع ، جزيء H 2 CO 3 مسطح ومثلث. عندما تتسامى ، تظهر الثنائيات الحلقية (H 2 CO 3) 2 ، والتي ترتبط برابطتين هيدروجينيتين C = O-OH.
لم يتم تحديد تناظر بلورات H 2 CO 3 في الوقت الحالي. تم اعتبار أنه يتبلور على شكل اثنين من الأشكال المتعددة: α-H 2 CO 3 و β-H 2 CO 3. ومع ذلك ، فقد تبين أن α-H 2 CO 3 ، المُصنَّع من خليط من CH 3 COOH-CO 2 ، هو في الواقع CH 3 OCOOH: إستر أحادي ميثيل من حمض الكربونيك.
الخصائص
تم ذكر أن H 2 CO 3 هو حمض ثنائي البروتين ، لذلك يمكنه التبرع باثنين من أيونات H + لوسط يقبلها. عندما يكون هذا الوسط ماءً ، فإن معادلات تفككه أو تحلله المائي هي:
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 - هو بيكربونات أو الهيدروجين كربونات أنيون، وCO 3 2- أنيون كربونات. يشار أيضًا إلى ثوابت التوازن الخاصة بكل منهما ، Ka 1 و Ka 2. منذ كا 2 هو خمسة ملايين مرات أصغر من كا 1 ، وتشكيل وتركيز CO 3 2- تكاد لا تذكر.
وبالتالي ، على الرغم من أنه حمض ثنائي البروتين ، فإن H + الثاني يمكنه بالكاد إطلاقه بشكل ملحوظ. ومع ذلك، فإن وجود حل CO 2 بكميات كبيرة تكفي ليحمض المتوسطة. في هذه الحالة ، الماء ، وخفض قيم الأس الهيدروجيني (أقل من 7).
إن الحديث عن حمض الكربونيك يعني عمليًا الإشارة إلى محلول مائي حيث يسود النوعان HCO 3 - و H 3 O + ؛ لا يمكن عزلها بالطرق التقليدية، وأدنى محاولة من شأنه تحويل CO 2 الذوبان التوازن في تشكيل فقاعات التي من شأنها أن الهروب من المياه.
نتيجة الجمع بين الطريحة والنقيضة
تحلل
حمض الكربونيك هو أحد أسهل المركبات التي يتم تصنيعها. كيف؟ أبسط طريقة هي فقاقيع الهواء الذي نخرجه إلى حجم من الماء بمساعدة ماصة أو قش. لأننا الزفير أساسا CO 2 ، وسوف فقاعة في الماء، ويذوب جزء صغير منه.
عندما نفعل هذا يحدث رد الفعل التالي:
CO 2 (g) + H 2 O (l) <=> H 2 CO 3 (aq)
ولكن في المقابل، فإن ذوبان CO 2 في المياه يجب النظر:
CO 2 (g) <=> CO 2 (aq)
كل من CO 2 و H 2 O عبارة عن جزيئات غير عضوية ، لذا فإن H 2 CO 3 غير عضوي من وجهة النظر هذه.
توازن بخار السائل
ونتيجة لذلك، لدينا نظام التوازن الذي يعتمد بدرجة كبيرة على الضغوط الجزئية من CO 2 ، وكذلك درجة حرارة السائل.
على سبيل المثال، إذا كان ضغط من CO 2 زيادات (في حالة أننا تفجير الهواء مع المزيد من القوة من خلال القش)، والمزيد من H 2 CO 3 ستتشكل وسوف الحموضة تصبح اكثر حامضية. منذ ذلك الحين ، يتحول التوازن الأول إلى اليمين.
من ناحية أخرى، إذا كنا تسخين H 2 CO 3 حل ، وذوبان CO 2 وفي الماء يقلل لأنه هو غاز، وسوف التوازن ثم تحول إلى اليسار (سيكون هناك أقل H 2 CO 3). وسوف تكون مشابهة إذا حاولنا تطبيق فراغ: من CO 2 والهروب وكذلك جزيئات الماء، والتي من شأنها تغيير التوازن إلى اليسار مرة أخرى.
صلبة نقية
يسمح لنا ما سبق بالتوصل إلى نتيجة: من محلول H 2 CO 3 لا توجد طريقة لتخليق هذا الحمض كمادة صلبة نقية بالطريقة التقليدية. ومع ذلك، فقد فعلت ذلك، ومنذ 90s من القرن الماضي، بدءا من خلائط صلب من CO 2 و H 2 O.
هذا الخليط صلبا من 50٪ CO 2 -H 2 قصفت O مع البروتونات (وهو نوع من الإشعاع الكوني)، بحيث أن أيا من هذين العنصرين والهروب وتشكيل H 2 CO 3 يحدث. لهذا الغرض ، تم أيضًا استخدام خليط CH 3 OH-CO 2 (تذكر α-H 2 CO 3).
طريقة أخرى هي أن تفعل الشيء نفسه ولكن باستخدام الثلج الجاف مباشرة ، لا شيء أكثر.
من الطرق الثلاث ، تمكن علماء ناسا من التوصل إلى استنتاج واحد: حمض الكربونيك النقي ، صلب أو غازي ، يمكن أن يوجد في الأقمار الصناعية الجليدية لكوكب المشتري ، وفي الأنهار الجليدية للمريخ ، وفي المذنبات ، حيث يتم تشعيع هذه المخاليط الصلبة باستمرار. بواسطة الأشعة الكونية.
التطبيقات
حمض الكربونيك في حد ذاته مركب عديم الفائدة. من حلولهم ، ومع ذلك ، يمكن تحضير حلول المخزن المؤقت على أساس أزواج HCO 3 - / CO 3 2- أو H 2 CO 3 / HCO 3 -.
وبفضل هذه الحلول وعمل الانزيم الأنهيداز الكربونيك، موجودة في خلايا الدم الحمراء، وCO 2 تنتج في التنفس يمكن أن ينتقل في الدم إلى الرئتين، حيث يتم تحريرها في نهاية المطاف إلى أن الزفير خارج الجسم.
محتدما من CO 2 يستخدم لإعطاء المشروبات الغازية إحساس لطيف ومميز ان يغادروا في الحلق عند شربها.
وبالمثل ، فإن وجود H 2 CO 3 له أهمية جيولوجية في تكوين مقرنصات الحجر الجيري ، حيث يذوبها ببطء حتى تنشأ نهاياتها المدببة.
ومن ناحية أخرى ، يمكن استخدام محاليلها في تحضير بعض البيكربونات المعدنية ؛ على الرغم من أنه من الأسهل استخدام ملح البيكربونات بشكل مباشر (NaHCO 3 ، على سبيل المثال).
المخاطر
يتمتع حمض الكربونيك بعمر ضئيل للغاية في ظل الظروف العادية (يقدرون بحوالي 300 نانوثانية) أنه غير ضار بالبيئة والكائنات الحية. ومع ذلك ، كما ذكرنا سابقًا ، هذا لا يعني أنه لا يمكن أن يولد تغييرًا مقلقًا في درجة الحموضة في مياه المحيط ، مما يؤثر على الحيوانات البحرية.
من ناحية أخرى، تم العثور على "خطر" حقيقي في تناول المياه الغازية، لأن كمية CO 2 حل فيها أعلى بكثير مما كانت عليه في الماء العادي. ومع ذلك ، ومرة أخرى ، لا توجد دراسات أظهرت أن شرب المياه الغازية يشكل خطرًا مميتًا ؛ حتى إذا أوصوا بالصيام ومحاربة عسر الهضم.
التأثير السلبي الوحيد الذي لوحظ في أولئك الذين يشربون هذا الماء هو الشعور بالامتلاء ، حيث تمتلئ معدتهم بالغازات. خارج هذا (ناهيك عن المشروبات الغازية ، لأنها تتكون من أكثر بكثير من مجرد حمض الكربونيك) ، يمكن القول أن هذا المركب ليس سامًا على الإطلاق.
المراجع
- داي ، ر. ، أندروود ، أ. (1989). الكيمياء التحليلية الكمية (الطبعة الخامسة). بيرسون برنتيس هول.
- رجفة وأتكينز. (2008). الكيمياء غير العضوية. (طبعة رابعة). ماك جراو هيل.
- ويكيبيديا. (2019). حمض الكربونيك. تم الاسترجاع من: en.wikipedia.org
- دانييل ريد. (2019). فيديو حمض الكربونيك: التكوين والبنية والمعادلة الكيميائية. دراسة. تم الاسترجاع من: study.com
- جوتز بوشر ولفرام ساندر. (2014). توضيح تركيب حامض الكربونيك. المجلد. 346 ، العدد 6209 ، ص. 544-545. DOI: 10.1126 / العلوم.1260117
- لين ياريس. (22 أكتوبر 2014). رؤى جديدة حول حمض الكربونيك في الماء. مختبر بيركلي. تم الاسترجاع من: newscenter.lbl.gov
- كلوديا هاموند. (2015 ، 14 سبتمبر). هل الماء الفوار ضار حقا بالنسبة لك؟ تم الاسترجاع من: bbc.com
- يورغن برنارد. (2014). حمض الكربونيك الصلب والغازي. معهد الكيمياء الفيزيائية. جامعة انسبروك.