- Struktur
- Molecule
- Molekylære interaksjoner
- Ren kullsyre
- Egenskaper
- syntese
- Oppløsning
- Flytende-damp likevekt
- Rent solid
- applikasjoner
- risiko
- referanser
Den karbonsyre er en uorganisk forbindelse, selv om noen debatt faktisk er organisk, den kjemiske formel H 2 CO 3 . Det er derfor en diprotisk syre, som kan donere to H + -ioner til det vandige medium for å generere to molekylære kationer H 3 O + . Fra det kommer de velkjente bikarbonat (HCO 3 - ) og karbonat (CO 3 2- ) ionene .
Denne særegne syren, enkel, men samtidig involvert i systemer der mange arter deltar i en flytende-damp likevekt, dannes fra to grunnleggende uorganiske molekyler: vann og karbondioksid. Tilstedeværelsen av uoppløst CO 2 blir observert når det bobler i vannet og stiger opp mot overflaten.
Glass med kullsyreholdig vann, en av de vanligste drikkene som inneholder kullsyre. Kilde: Pxhere.
Dette fenomenet sees veldig regelmessig i kullsyreholdige drikker og kullsyreholdig vann.
Når det gjelder kullsyreholdig eller luftet vann (øvre bilde), har en slik mengde CO 2 løst seg opp at damptrykket er mer enn det dobbelte av atmosfæretrykket. Når du fjerner den, reduserer trykkforskjellen inne i flasken og utsiden løseligheten av CO 2 , og det er derfor det dukker opp bobler som ender opp fra væsken.
I mindre grad skjer det samme i enhver kropp med friskt eller saltvann: når de blir oppvarmet, vil de frigi sitt oppløste CO 2 -innhold .
Imidlertid er CO 2 ikke bare oppløst, men gjennomgår transformasjoner i molekylet som gjør det til H 2 CO 3 ; en syre som har for liten levetid, men nok til å markere en målbar endring i pH i det vandige løsningsmiddelmediet, og også generere et unikt karbonatbuffersystem.
Struktur
Molecule
Kullsyremolekyl representert av en sfære- og stangmodell. Kilde: Jynto og Ben Mills via Wikipedia.
Over har vi H 2 CO 3 -molekylet , representert av kuler og stenger. De røde kulene tilsvarer oksygenatomene, det svarte til karbonatomet og det hvite til hydrogenatomene.
Legg merke til at fra bildet kan du skrive en annen gyldig formel for denne syren: CO (OH) 2 , hvor CO blir karbonylgruppen, C = O, knyttet til to hydroksylgrupper, OH. Ettersom det er to OH-grupper, som er i stand til å gi sine hydrogenatomer, forstås det nå hvor H + -ionene som frigjøres i miljøet kommer fra.
Molekylær struktur av kullsyre.
Legg også merke til at formelen CO (OH) 2 kan skrives som OHCOOH; det vil si av RCOOH-typen, hvor R i dette tilfellet er en OH-gruppe.
Det er av denne grunnen, i tillegg til at molekylet består av oksygen, hydrogen og karbonatomer, altfor vanlig i organisk kjemi, at karbonsyre av noen er ansett for å være en organisk forbindelse. I delen om syntese vil det imidlertid bli forklart hvorfor andre anser det for å være uorganisk og ikke-organisk.
Molekylære interaksjoner
Av molekylet H 2 CO 3 kan det kommenteres at dens geometri er trigonalt plan, med karbonet i midten av trekanten. I to av hjørnene har den OH-grupper, som er hydrogenbinding-givere; og i det andre som er igjen, et oksygenatom i gruppen C = O, akseptor av hydrogenbindinger.
H 2 CO 3 har således en sterk tendens til å samhandle med protiske eller oksygenerte (og nitrogenholdige) løsningsmidler.
Og tilfeldig oppfyller vann disse to egenskapene, og affiniteten til H 2 CO 3 for den er slik at det nesten umiddelbart gir opp en H + og det begynner å bli etablert en hydrolyse-likevekt som involverer HCO 3 - og H 3 O- artene. + .
Det er grunnen til at bare tilstedeværelsen av vann bryter ned kullsyre og gjør det for vanskelig å isolere det som en ren forbindelse.
Ren kullsyre
Når vi vender tilbake til H 2 CO 3 -molekylet , er det ikke bare flatt, i stand til å etablere hydrogenbindinger, men det kan også presentere cis-trans-isomerisme; Dette er, på bildet har vi cis-isomeren, med de to H-ene pekende i samme retning, mens de i trans-isomeren ville peke i motsatte retninger.
Cis-isomeren er den mer stabile av de to, og det er derfor den er den eneste som vanligvis er representert.
Et rent faststoff av H 2 CO 3 består av en krystallinsk struktur sammensatt av lag eller ark molekyler som samvirker med laterale hydrogenbindinger. Dette er å forvente, idet H 2 CO 3 -molekylet er flatt og trekantet. Når det sublimerer, vises sykliske dimerer (H 2 CO 3 ) 2 , som er forbundet med to hydrogenbindinger C = O-OH.
Symmetrien til H 2 CO 3 -krystallene er ikke definert for øyeblikket. Det ble ansett for å krystallisere ut som to polymorfene: α-H 2 CO 3 og β-H 2 CO 3 . Imidlertid α-H 2 CO 3 , syntetisert fra en blanding av CH 3 COOH-CO 2 , ble vist å være faktisk CH 3 OCOOH: en monometylester av karbonsyre.
Egenskaper
Det ble nevnt at H 2 CO 3 er en diprotinsyre, så den kan donere to H + -ioner til et medium som godtar dem. Når dette mediet er vann, er likningene av dets dissosiasjon eller hydrolyse:
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 x 10 -11 )
HCO 3 - er bikarbonat eller hydrogenkarbonatanion, og CO 3 2- karbonatanion. Deres respektive likevektskonstanter, Ka 1 og Ka 2, er også indikert . Siden Ka 2 er fem millioner ganger mindre enn Ka 1 , er dannelsen og konsentrasjonen av CO 3 2- ubetydelig.
Selv om det er en diprotinsyre, kan den andre H + knapt frigjøre den nevneverdig. Tilstedeværelsen av oppløst CO 2 i store mengder er imidlertid nok til å surgjøre mediet; i dette tilfellet vann, ved å senke pH-verdiene (under 7).
For å snakke av karbonsyre er praktisk talt å referere til en vandig løsning der arten HCO 3 - og H 3 O + dominerer ; den kan ikke isoleres ved konvensjonelle metoder, da det minste forsøk ville forskyve CO 2- løselighetsbalansen til dannelse av bobler som ville rømme fra vannet.
syntese
Oppløsning
Kullsyre er en av de enkleste forbindelsene å syntetisere. Hvordan? Den enkleste metoden er å boble luften vi puster ut i et volum vann ved hjelp av et sugerør eller halm. Fordi vi egentlig puster ut CO 2 , vil den boble i vannet og løse opp en liten brøkdel av den.
Når vi gjør dette, oppstår følgende reaksjon:
CO 2 (g) + H 2 O (l) <=> H 2 CO 3 (aq)
Men i sin tur må løseligheten av CO 2 i vann vurderes :
CO 2 (g) <=> CO 2 (aq)
Både CO 2 og H 2 O er uorganiske molekyler, så H 2 CO 3 er uorganisk fra dette synspunkt.
Flytende-damp likevekt
Som et resultat har vi et likevektssystem som er veldig avhengig av deltrykkene av CO 2 , så vel som temperaturen på væsken.
For eksempel, hvis trykket til CO 2 øker (i tilfelle at vi blåser luften med mer kraft gjennom halmen), vil mer H 2 CO 3 dannes og pH-verdien blir surere; siden skifter den første likevekten til høyre.
På den annen side, hvis vi varmer H 2 CO 3 -løsningen , vil løseligheten av CO 2 i vann avta fordi det er en gass, og likevekten vil deretter forskyve seg til venstre (det vil være mindre H 2 CO 3 ). Det vil være likt hvis vi prøver å bruke et vakuum: CO 2 vil slippe ut så vel som vannmolekylene, noe som vil forskyve balansen mot venstre igjen.
Rent solid
Ovennevnte lar oss komme til en konklusjon: fra en H 2 CO 3- løsning er det ingen måte å syntetisere denne syren som et rent faststoff ved en konvensjonell metode. Imidlertid har det vært gjort, siden 90-tallet av forrige århundre, ved å starte fra faste blandinger av CO 2 og H 2 O.
Dette faste stoff blanding av 50% CO 2 -H 2 O bombarderes med protoner (en type av kosmisk stråling), slik at ingen av de to komponenter vil unnslippe, og dannelsen av H 2 CO 3 oppstår . For dette formål er en CH 3 OH-CO 2 er blandingen også blitt anvendt (husk α-H 2 CO 3 ).
En annen metode er å gjøre det samme, men å bruke tørris direkte, ingenting mer.
Fra de tre metodene var NASA-forskere i stand til å komme til en konklusjon: ren kullsyre, fast eller gassformig, kan eksistere i de iskaldte satellittene i Jupiter, i Mars-isbreer og i kometer, der slike faste blandinger kontinuerlig bestråles. av kosmiske stråler.
applikasjoner
Kullsyre i seg selv er en ubrukelig forbindelse. Fra deres løsninger kan imidlertid bufferløsninger basert på parene HCO 3 - / CO 3 2- eller H 2 CO 3 / HCO 3 - fremstilles .
Takket være disse løsningene og virkningen av enzymet karbonanhydrase som er til stede i røde blodlegemer, kan CO 2 som produseres i pusten transporteres i blodet til lungene, hvor de endelig frigjøres for å pustes ut fra kroppen vår.
Boblingen av CO 2 brukes til å gi brus den behagelige og karakteristiske følelsen de etterlater i halsen når du drikker dem.
På samme måte har tilstedeværelsen av H 2 CO 3 geologisk betydning i dannelsen av kalksteinsstalaktitter, da det langsomt løser dem opp til de produserer sine spisse finish.
På den annen side kan løsningene brukes til å fremstille noen metalliske bikarbonater; men for dette er det mer lønnsomt og enklere å direkte bruke et bikarbonat-salt (NaHCO 3 , for eksempel).
risiko
Kullsyre har en så ubetydelig levetid under normale forhold (de estimerer rundt 300 nanosekunder) at det praktisk talt er ufarlig for miljøet og levende vesener. Som sagt før, betyr det ikke at det ikke kan generere en bekymringsfull endring i pH i havvannet, noe som påvirker marin fauna.
På den annen side finnes den reelle "risikoen" ved inntaket av kullsyreholdig vann, siden mengden CO 2 løst i dem er mye høyere enn i normalt vann. Imidlertid, og igjen, er det ingen studier som har vist at å drikke kullsyreholdig vann utgjør en dødelig risiko; hvis de til og med anbefaler det å faste og bekjempe fordøyelsesbesvær.
Den eneste negative effekten som observeres hos de som drikker dette vannet, er følelsen av fylde, ettersom magen fylles med gasser. Utenom dette (for ikke å nevne brus, siden de består av mye mer enn bare kullsyre), kan det sies at denne forbindelsen ikke er giftig i det hele tatt.
referanser
- Day, R., & Underwood, A. (1989). Kvantitativ analytisk kjemi (femte utg.). PEARSON Prentice Hall.
- Shiver & Atkins. (2008). Uorganisk kjemi. (Fjerde utgave). Mc Graw Hill.
- Wikipedia. (2019). Kullsyre. Gjenopprettet fra: en.wikipedia.org
- Danielle Reid. (2019). Kullsyre: Formasjon, struktur og kjemisk ligning Video. Studere. Gjenopprettet fra: study.com
- Götz Bucher & Wolfram Sander. (2014). Klargjør strukturen til kullsyre. Vol. 346, utgave 6209, s. 23 544-545. DOI: 10.1126 / science.1260117
- Lynn Yarris. (22. oktober 2014). Ny innsikt om kullsyre i vann. Berkeley Lab. Gjenvunnet fra: newscenter.lbl.gov
- Claudia Hammond. (2015, 14. september). Er glitrende vann virkelig dårlig for deg? Gjenopprettet fra: bbc.com
- Jurgen Bernard. (2014). Fast og gassformig kullsyre. Institutt for fysisk kjemi. University of Innsbruck.