- Struktura
- Molekula
- Molekularne interakcije
- Čista ogljikova kislina
- Lastnosti
- Sinteza
- Raztapljanje
- Tekoče-parno ravnovesje
- Čisto trdno
- Prijave
- Tveganja
- Reference
Ogljikova kislina anorganska spojina, čeprav v resnici nekaj razprave organski, kemično formulo H 2 CO 3 . Gre torej za diprotic kislino, sposoben darovanjem dva H + ionov v vodnem mediju, da tvori dva molekularnih katione H 3 O + . Iz nje izhajajo znani ioni bikarbonata (HCO 3 - ) in karbonata (CO 3 2- ).
Ta svojevrstna kislina, preprosta, a hkrati vključena v sisteme, kjer številne vrste sodelujejo v ravnovesju tekočine in pare, nastaja iz dveh osnovnih anorganskih molekul: vode in ogljikovega dioksida. Prisotnost neraztopljenega CO 2 opazimo vsakič, ko v vodi nastane mehurček, ki se dvigne proti površju.
Kozarec z gazirano vodo, ena najpogostejših pijač, ki vsebuje ogljikovo kislino. Vir: Pxhere.
Ta pojav se zelo redno opaža v gaziranih pijačah in gazirani vodi.
V primeru gazirane ali gazirane vode (zgornja slika) se taka količina CO 2 raztopi, da je njen parni tlak več kot dvakrat večji od atmosferskega. Ko ga odvijete, razlika v tlaku znotraj steklenice in zunaj zmanjša topnost CO 2 , zato se pojavijo mehurčki, ki na koncu uhajajo iz tekočine.
V manjši meri se isto dogaja v katerem koli telesu sladke ali slane vode: ko se segrejejo, bodo sprostile svojo raztopljeno vsebnost CO 2 .
Vendar se CO 2 ne samo raztopi, ampak se v njegovi molekuli pretvarja, ki ga pretvori v H 2 CO 3 ; kislina, ki ima premalo življenjske dobe, vendar dovolj, da označi merljivo spremembo pH svojega vodnega medija s topilom in ustvari tudi edinstven karbonatni puferski sistem.
Struktura
Molekula
Molekula ogljikove kisline, ki jo predstavlja model sfer in palic. Vir: Jynto in Ben Mills prek Wikipedije.
Zgoraj imamo molekulo H 2 CO 3 , ki jo predstavljajo krogle in palice. Rdeče krogle ustrezajo atomom kisika, črne atomu ogljika, bele pa atomom vodika.
Upoštevajte, da lahko s sliko napišete drugo veljavno formulo za to kislino: CO (OH) 2 , kjer CO postane karbonilna skupina, C = O, povezana z dvema hidroksilnima skupinama, OH. Ker obstajata dve OH skupini, ki sta sposobni darovati svoje vodikove atome, je zdaj razumljivo, od kod prihajajo ioni H +, ki se sproščajo v okolje.
Molekularna struktura ogljikove kisline.
Upoštevajte tudi, da lahko formulo CO (OH) 2 zapišemo kot OHCOOH; torej tipa RCOOH, kjer je R v tem primeru OH skupina.
Zaradi tega se poleg tega, da molekulo sestavljajo kisikovi, vodikovi in ogljikovi atomi, vse preveč pogosti v organski kemiji, tudi ogljikova kislina nekateri štejejo za organsko spojino. Vendar pa bo v razdelku o njeni sintezi razloženo, zakaj drugi menijo, da je po naravi anorganska in neekološka.
Molekularne interakcije
Iz molekule H 2 CO 3 lahko komentiramo, da je njegova geometrija trigonalna ravnina, ogljik pa je v središču trikotnika. V dveh svojih konicah ima OH skupine, ki so darovalci vodikove vezi; v drugem preostalem pa kisikov atom skupine C = O, sprejemnik vodikovih vezi.
Tako ima H 2 CO 3 močno nagnjenost k interakciji s protskimi ali kisikovimi (in dušikovimi) topili.
In po naključju voda izpolnjuje ti dve značilnosti, in pripadnost H 2 CO 3 zanj je taka, da se skoraj takoj odpove H + in začne se vzpostaviti ravnovesje hidrolize, ki vključuje vrste HCO 3 - in H 3 O + .
Zato že sama prisotnost vode razgrajuje ogljikovo kislino in otežuje izolacijo kot čisto spojino.
Čista ogljikova kislina
Ko se vrnemo k molekuli H 2 CO 3 , ni samo ravna, ki lahko vzpostavi vodikove vezi, ampak lahko predstavlja tudi cis-trans izomerijo; To je, na sliki imamo cis izomer, pri čemer sta oba H usmerjena v isto smer, v trans izomer pa bi kazali v nasprotni smeri.
Cis izomer je od obeh stabilnejši in zato je edini, ki je običajno zastopan.
Čista trdna snov H 2 CO 3 je sestavljena iz kristalne strukture, sestavljene iz plasti ali listov molekul, ki medsebojno delujejo s stranskimi vodikovimi vezmi. To je pričakovati, molekula H 2 CO 3 je ravna in trikotna. Ko se sublimira, se pojavijo ciklični dimeri (H 2 CO 3 ) 2 , ki jih povezujeta dve vodikovi vezi C = O-OH.
Simetrija kristalov H 2 CO 3 zaenkrat še ni določena. Štelo je, da kristalizirata dva polimorfa: α-H 2 CO 3 in β-H 2 CO 3 . Vendar je α-H 2 CO 3 , sintetiziramo iz zmesi CH 3 COOH-CO 2 , se je izkazalo za dejansko CH 3 OCOOH: a monometil ester ogljikove kisline.
Lastnosti
Omenjeno je bilo, da je H 2 CO 3 diprotična kislina, zato lahko daroval dva iona H + v medij, ki ju sprejema. Ko je ta medij voda, so enačbe njene disociacije ali hidrolize:
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 - je bikarbonatni ali hidrogenkarbonatni anion in CO 3 2- karbonatni anion. Navedeni sta tudi njuni konstanti ravnovesja, Ka 1 in Ka 2 . Ker je Ka 2 pet milijonov krat manjši od Ka 1 , je tvorba in koncentracija CO 3 2- zanemarljiva.
Kljub temu, da gre za diprotsko kislino, jo drugi H + komaj sprosti. Vendar pa je prisotnost raztopljenega CO 2 v velikih količinah dovolj za zakiselitev medija; v tem primeru vodo, ki zniža pH vrednosti (pod 7).
Če govorimo o ogljikove kisline je praktično sklicevati na vodni raztopini, kjer je vrsta HCO 3 - in H 3 O + Prevladujeta ; ne moremo ga izolirati z običajnimi metodami, saj bi že najmanjši poskus preusmeril ravnovesje topnosti CO 2 v tvorbo mehurčkov, ki bi ušli iz vode.
Sinteza
Raztapljanje
Ogljikova kislina je ena najlažjih spojin za sintezo. Kako? Najenostavnejša metoda je, da s pomočjo slame ali slame napihujemo zrak, ki ga izdihnemo v prostornino vode. Ker v bistvu izdihujemo CO 2 , bo mehurčil v vodo in raztopil majhen delček.
Ko to storimo, pride do naslednje reakcije:
CO 2 (g) + H 2 O (l) <=> H 2 CO 3 (aq)
Po drugi strani pa je treba upoštevati topnost CO 2 v vodi:
CO 2 (g) <=> CO 2 (vod.)
Tako CO 2 kot H 2 O sta anorganski molekuli, zato je H 2 CO 3 s tega vidika anorganski.
Tekoče-parno ravnovesje
Posledično imamo ravnotežni sistem, ki je močno odvisen od parcialnih tlakov CO 2 , pa tudi temperature tekočine.
Na primer, če se tlak CO 2 poveča (v primeru, da zrak pihamo z večjo silo skozi slamo), bo nastalo več H 2 CO 3 in pH bo postal bolj kisel; saj se prvo ravnovesje premakne v desno.
Po drugi strani, če segrevamo raztopino H 2 CO 3 , se bo topnost CO 2 v vodi zmanjšala, ker gre za plin, in ravnovesje se bo nato premaknilo v levo (manj bo H 2 CO 3 ). Podobno bo, če poskušamo uporabiti vakuum: CO 2 bo ušel, kot tudi molekule vode, ki bi ravnotežje spet preusmerile v levo.
Čisto trdno
Zgornje nam omogoča, da pridemo do zaključka: iz raztopine H 2 CO 3 ni mogoče sintetizirati te kisline kot čiste trdne snovi s konvencionalno metodo. Vendar pa je bilo to storjeno že od 90. let prejšnjega stoletja, začenši s trdnimi mešanicami CO 2 in H 2 O.
Ta trdna mešanica 50% CO 2 -H 2 O je bombardirana s protoni (vrsta kozmičnega sevanja), tako da nobena od obeh komponent ne uide in nastane tvorba H 2 CO 3 . V ta namen CH 3 OH-CO 2 je mešanica tudi (zapomni α-H 2 CO 3 ).
Druga metoda je narediti isto, vendar neposredno uporabljati suh led, nič več.
Iz treh metod so lahko znanstveniki NASE dosegli en zaključek: čista ogljikova kislina, trdna ali plinasta, lahko obstaja v ledenih satelitih Jupiter, na marsovskih ledenikih in v kometih, kjer se tako trdne mešanice nenehno obsevajo. s kozmičnimi žarki.
Prijave
Ogljikova kislina sama po sebi je neuporabna spojina. Iz njihovih raztopin pa lahko pripravimo puferske raztopine na osnovi parov HCO 3 - / CO 3 2- ali H 2 CO 3 / HCO 3 - .
Zahvaljujoč tem raztopinam in delovanju encima ogljikove anhidraze, ki je prisoten v rdečih krvnih celicah, se CO 2, ki nastane pri dihanju, lahko prenaša v krvi v pljuča, kjer se končno sprosti, da se izdihne zunaj našega telesa.
Napihnjenost CO 2 se uporablja za brezalkoholne pijače prijeten in značilen občutek, ki ga ob pitju pustijo v grlu.
Prav tako ima prisotnost H 2 CO 3 geološki pomen pri tvorbi apnenčastih stalaktitov, saj jih počasi raztaplja, dokler ne nastanejo poudarjene obloge.
Po drugi strani pa lahko njene rešitve uporabimo za pripravo nekaterih kovinskih bikarbonatov; čeprav je za to bolj donosno in lažje neposredno bikarbonatno sol ( na primer NaHCO 3 ).
Tveganja
Ogljikova kislina ima v normalnih pogojih tako zanemarljiv življenjski čas (ocenjujejo okoli 300 nanosekund), da je za okolje in živa bitja praktično neškodljiva. Vendar pa, kot že rečeno, to ne pomeni, da ne more povzročiti zaskrbljujoče spremembe pH oceanske vode, kar vpliva na morsko favno.
Po drugi strani pa se resnično "tveganje" nahaja v vnosu gazirane vode, saj je količina CO 2, raztopljenega v njih, veliko večja kot v običajni vodi. Vendar pa še enkrat ni nobenih študij, ki bi pokazale, da pitje gazirane vode predstavlja smrtno nevarnost; če ga sploh priporočajo za hitro in boj proti prebavni prebavi.
Edini negativni učinek, ki ga opazimo pri tistih, ki pijejo to vodo, je občutek polnosti, saj se njihovi želodci napolnijo s plini. Zunaj tega (da ne omenjam sode, saj jih sestavlja veliko več kot le ogljikova kislina), lahko rečemo, da ta spojina sploh ni strupena.
Reference
- Day, R., & Underwood, A. (1989). Kvantitativna analitična kemija (peta izdaja). Dvorana PEARSON Prentice.
- Shiver & Atkins. (2008). Anorganska kemija. (Četrta izdaja). Mc Graw Hill.
- Wikipedija. (2019). Ogljikova kislina. Pridobljeno: en.wikipedia.org
- Danielle Reid. (2019). Ogljikova kislina: video, tvorba, struktura in kemijska enačba. Študij. Pridobljeno: study.com
- Götz Bucher in Wolfram Sander. (2014). Pojasnitev strukture ogljikove kisline. Letnik 346, številka 6209, str. 544-545. DOI: 10.1126 / znanost.1260117
- Lynn Yarris (22. oktober 2014). Novi vpogledi o ogljikovi kislini v vodi. Berkeley laboratorij. Pridobljeno: newscenter.lbl.gov
- Claudia Hammond. (2015, 14. septembra). Je penina res slaba za vas? Pridobljeno: bbc.com
- Jurgen Bernard. (2014). Trdna in plinasta ogljikova kislina. Inštitut za fizikalno kemijo. Univerza v Innsbrucku.