Ácido carbónico

O ácido carbónico é un composto químico coa fórmula química Modelo:Chem2. A molécula convértese rapidamente en auga e dióxido de carbono en presenza de auga. Porén, en ausencia de auga, é bastante estable a temperatura dunha habitación. A interconversión do dióxido de carbono e o ácido carbónico está relacionada co ciclo respiratorio dos animais e a acidificación das augas naturais.

En bioquímica e fisioloxía o nome "ácido carbónico" é por veces aplicado a solucións acuosas de dióxido de carbono. Estas especies químicas xogan un importante papel no sistema tampón bicarbonato, usado para manter a homeostase ácido–base.

Terminoloxía na literatura bioquímica

En química, o temo "ácido carbónico" refírese estritramente ao composto químico coa fórmula Modelo:Chem. Porén, algunha literatura bioquímica elimina a distinción entre ácido carbónico e dióxido de carbono disolto no fluído extracelular.

Ácido carbónico anhidro

A temperaturas ambientais moderadas o ácido carbónico puro é un gas estable. Hai dous métodos principais para producir ácido carbónico anhidro: a reacción do cloruro de hidróxeno co bicarbonato de potasio a 100 K en metanol e a irradiación con protóns do dióxido de carbono sólido puro. Quimicamente, compórtase como un ácido diprótico de Brønsted.

Os monómeros de ácido carbónico mostran tres isómeros conformacionais: cis–cis, cis–trans e trans–trans.

A baixas temperaturas e presións atmosféricas, o ácido carbónico sólido é amorfo e carece de picos de Bragg en difracción de raios X. Pero a altas presións, o ácido carbónico cristaliza, e a espectroscopia analítica moderna pode medir a súa xeometría.

Segundo o observado por difracción de neutróns de ácido carbónico dideuterado (Modelo:Chem) nunha cela abrazadeira híbrida (hybrid clamped cell) (aliaxe rusa/cobre-berilio) a 1,85 GPa, as moléculas son planas e forman dímeros unidos por pares de enlaces de hidróxeno. Os tres enlaces C-O son case equidistantes a 1,34 Å, iintermedios entre as distancias típicas C-O e C=O (respectivamente 1,43 e 1,23 Å). As lonxitudes pouco comúns do enlace C-O atribúense a enlaces π deslocalizados no centro da molécula e enlaces de hidróxeno extraordinariamente fortes. Os mesmos efectos tamén inducen unha separación moi curta O—O (2,13 Å), no ángulo de 136° O-H-O imposto polos aneis de 8 membros con enlaces de hidróxeno dobres. Distancias O—O máis longas obsérvanse en enlaces de hidróxeno intramoleculares fortes, por exemplo no ácido oxálico, onde as distancias superan os 2,4 Å.

En solución acuosa

Incluso en presenza de pequenas cantidades de auga, o ácido carbónico deshidrátase a dióxido de carbono e auga, e esta auga despois cataliza unha maior descomposición. Por isto, o dióxido de carbono pode considerarse o anhídrido ácido carbónico.

A constante de equilibrio de hidratación a 25 °C é [[[:Modelo:Chem]]]/[[[:Modelo:Chem]]] ≈ 1,7×10⁻³ en auga pura e ≈ 1,2×10⁻³ en auga de mar. Por tanto, a maioría do dióxido de carbono en interfaces aire-auga xeofísicas ou biolóxicas non se converte a ácido carbónico, permanecendo como gas Modelo:Chem disolto. Porén, chégase ao equilibrio non catalizado bastante lentamente: as constantes de velocidade son 0,039 s⁻¹ para a hidratación e 23 s⁻¹ para a deshidratación.

En solucións biolóxicas

En presenza do encima anhidrase carbónica, o equilibrio chega, a diferenza do caso anterior, moi rapidamente, e a seguinte reacción ten prioridade: $$\mathrm{H}\mathrm{C}\mathrm{O}{\phantom{A}}_3{\phantom{A}}^{-}\text{+}\mathrm{H}{\phantom{A}}^{+}\stackrel{-\rightharpoonup }{\leftharpoondown -}\mathrm{C}\mathrm{O}{\phantom{A}}_2\text{+}\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{O}$$

Cando o dióxido de carbono creado excede a súa solubilidade, o gas evoluciona e debe terse en consideración un terceiro equilibrio: $$\mathrm{C}\mathrm{O}{\phantom{A}}_2(\mathrm{s}\mathrm{o}\mathrm{l}\mathrm{n})\stackrel{-\rightharpoonup }{\leftharpoondown -}\mathrm{C}\mathrm{O}{\phantom{A}}_2(\mathrm{g})$$ A constante de equilibrio defínese por esta razón pola lei de Henry.

As dúas reaccións poden combinarse para o equilibrio en solución: $$\begin{array}{ccc}\mathrm{H}\mathrm{C}\mathrm{O}{\phantom{A}}_3{\phantom{A}}^{-}+\mathrm{H}{\phantom{A}}^{+}\stackrel{-\rightharpoonup }{\leftharpoondown -}\mathrm{C}\mathrm{O}{\phantom{A}}_2(\mathrm{s}\mathrm{o}\mathrm{l}\mathrm{n})+\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{O}& & K_3=\frac{[\mathrm{H}{\phantom{A}}^{+}][\mathrm{H}\mathrm{C}\mathrm{O}{\phantom{A}}_3{\phantom{A}}^{-}]}{[\mathrm{C}\mathrm{O}{\phantom{A}}_2(\mathrm{s}\mathrm{o}\mathrm{l}\mathrm{n})]}\end{array}$$ Cando a lei de Henry se usa para calcular o denominador cómpre ter coidado coas unidades dado que a constante da lei de Henry pode expresarse comunmente con 8 dimensionalidades diferentes.

Baixo unha alta presión parcial de CO₂

Na industria das bebidas, a auga "con gas" denomínase xeralmente auga carbonatda. Está feita de dióxido de carbono disolto en auga baixo unha pequena presión positiva. Moitos refrescos tratados desa maneira son efervescentes.

En solucións acuosas a presións de moitos xigapascais (decenas de miles de atmosferas) que se dan no interior dos planetas existen cantidades significativas de Modelo:Chem molecular . Chégase a presións de 0,6–1,6 GPa a 100 K, e 0,75–1,75 GPa a 300 K nos núcleos dos grandes satélites xeados como Ganímedes, Calisto e Titán, onde están presentes a auga e o dióxido de carbono. O ácido carbónico puro, ao ser máis denso, espérase que se afunda baixo as capas de xeo e as separe dos núcleos rochosos desas lúas.

Relación do bicarbonato co carbonato

Gráfica de Bjerrum da especiación dun hipotético ácido monoprótico: a concentración de AH está en función das diferenzas entre Modelo:Math e Modelo:Math.

O ácido carbónico é o ácido conxugado de Brønsted–Lowry formal do anión bicarbonato, estable en solución alcalina. As constantes de protonación medíronse con gran precisión, pero dependen da forza iónica global Modelo:Mvar. Os dous equilibrios que se miden máis doadamente son os seguintes: $$\begin{array}{ccc}\mathrm{C}\mathrm{O}{\phantom{A}}_3{\phantom{A}}^{2-}+\mathrm{H}{\phantom{A}}^{+}\stackrel{-\rightharpoonup }{\leftharpoondown -}\mathrm{H}\mathrm{C}\mathrm{O}{\phantom{A}}_3{\phantom{A}}^{-}& & {\beta }_1=\frac{[\mathrm{H}\mathrm{C}\mathrm{O}{\phantom{A}}_3{\phantom{A}}^{-}]}{[\mathrm{H}{\phantom{A}}^{+}][\mathrm{C}\mathrm{O}{\phantom{A}}_3{\phantom{A}}^{2-}]}\\ \mathrm{C}\mathrm{O}{\phantom{A}}_3{\phantom{A}}^{2-}+2\mathrm{H}{\phantom{A}}^{+}\stackrel{-\rightharpoonup }{\leftharpoondown -}\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{C}\mathrm{O}{\phantom{A}}_3& & {\beta }_2=\frac{[\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{C}\mathrm{O}{\phantom{A}}_3]}{[\mathrm{H}{\phantom{A}}^{+}{]}^2[\mathrm{C}\mathrm{O}{\phantom{A}}_3{\phantom{A}}^{2-}]}\end{array}$$ onde os corchetes indican a concentración de especies químicas. A 25 °C, estes equilibrios satisfán empiricamente$$\begin{array}{cccccccccc}\log ({\beta }_1)=& & 0& ,54& I^2-0& ,96& I+& & 9& ,93\\ \log ({\beta }_2)=& & -2& ,5& I^2-0& ,043& I+& & 16& ,07\end{array}$$Modelo:Math diminúe co incremento de Modelo:Mvar, como tamén Modelo:Math. Nunha solución na que están ausentes outros ións (por exemplo, Modelo:Math), estas curvas implican as seguintes constantes de disociación paso a paso:$$\begin{array}{ccc}p{\text{K}}_1& =\log ({\beta }_2)-\log ({\beta }_1)& =6,77\\ p{\text{K}}_2& =\log ({\beta }_1)& =9,93\end{array}$$ Os valores directos para estas constantes na literatura son, por exemplo, Modelo:Math e Modelo:Math.

Para interpretarmos estas cifras, debemos reparar en que as dúas especies químicas nun equilibrio ácido están equiconcentradas cando Modelo:Math. En particular, o fluído extracelular en sistemas biolóxicos presenta un Modelo:Math, así que o ácido carbónico estará disociado case ao 50 % no equilibrio.

Acidificación oceánica

Especiación do carbonato en auga de mar (forza iónica 0,7 mol/dm³). O cambio esperado mostrado débese ao incremento antropoxénico actual na concentración de dióxido de carbono atmosférico.

A gráfica de Bjerrum mostra as concentracións de equilibrio típicas en solución en auga de mar de dióxido de carbono e as diversas especies derivadas del, en función do pH. A medida que a industralización humana está facendo incrementar a proporción de dióxido de carbono na atmosfera da Terra, a proporción de dióxido de carbono disolto no mar e na auga doce como ácido carbónico tamén se espera que se incremente. Este aumento no ácido disolto tamén se espera que acidifique ditas augas, xerando un descenso do pH. Estimouse que o incremento de dióxido de carbono disolto causou xa unha diminución media do pH superficial do océano de aproximadamente 0,1 respecto dos niveis preindustriais. Modelo:Clear

Véxase tamén

Bibliografía

• "Climate and Carbonic Acid" en Popular Science Monthly Volume 59, xullo de 1901.
• Modelo:Cite journal
• Modelo:Cite book
• Modelo:Cite journal
• Modelo:Cite journal
• Modelo:Cite journal

Ligazóns externas

• Equilibrio en auga do ácido carbónico/bicarbonato/carbonato: pH de solucións, capacidade de tamponamento, titlación e distribución de especies respectodo pH, computado cunha folla de cálculo gratuíta
• Como calcular a concentración de ácido carbónico na auga