Ácido carbônico (H2CO3): estrutura, propriedades, síntese, usos - Ciência - 2023

Contente

o ácido carbónico É um composto inorgânico, embora haja quem discuta se é realmente orgânico, cuja fórmula química é H₂CO₃. É, portanto, um ácido diprótico, capaz de doar dois íons H⁺ ao meio aquoso para gerar dois cátions moleculares H₃OU⁺. Dele surgem os conhecidos íons bicarbonato (HCO₃^–) e carbonato (CO₃^2-).

Este ácido peculiar, simples, mas ao mesmo tempo envolvido em sistemas onde numerosas espécies participam de um equilíbrio líquido-vapor, é formado a partir de duas moléculas inorgânicas fundamentais: água e dióxido de carbono. A presença de CO₂ Não dissolvido é observado sempre que há um borbulhar na água, subindo em direção à superfície.

Esse fenômeno é visto com grande regularidade em bebidas gaseificadas e água gaseificada.

No caso de água carbonatada ou carbonatada (imagem acima), essa quantidade de CO foi dissolvida₂ que sua pressão de vapor é mais do que o dobro da pressão atmosférica. Quando destampada, a diferença de pressão dentro e fora da garrafa diminui a solubilidade do CO₂, então aparecem as bolhas que acabam escapando do líquido.

Em menor grau, o mesmo ocorre em qualquer corpo de água doce ou salgada: quando aquecidos, liberam seu conteúdo de CO dissolvido.₂.

No entanto, o CO₂ Não é apenas dissolvido, mas sofre transformações em sua molécula que o tornam H₂CO₃; um ácido que tem um tempo de vida muito curto, mas o suficiente para marcar uma mudança mensurável no pH de seu meio solvente aquoso e também gerar um sistema tampão de carbonato único.

Estrutura

Molécula

Acima temos a molécula H₂CO₃, representado com esferas e barras. As esferas vermelhas correspondem aos átomos de oxigênio, as pretas aos átomos de carbono e as brancas aos átomos de hidrogênio.

Observe que a partir da imagem você pode escrever outra fórmula válida para este ácido: CO (OH)₂, onde CO é o grupo carbonil, C = O, ligado a dois grupos hidroxil, OH. Como existem dois grupos OH, capazes de doar seus átomos de hidrogênio, agora se entende de onde vêm os íons H⁺ liberado para o meio.

Observe também que a fórmula CO (OH)₂ pode ser escrito como OHCOOH; quer dizer, do tipo RCOOH, onde R é neste caso um grupo OH.

É por esse motivo, além do fato de a molécula ser composta de átomos de oxigênio, hidrogênio e carbono, comuns na química orgânica, que o ácido carbônico é considerado por alguns um composto orgânico. No entanto, na seção sobre sua síntese, será explicado por que outros o consideram de natureza inorgânica e não orgânica.

Interações moleculares

Da molécula H₂CO₃ pode-se comentar que sua geometria é o plano trigonal, com o carbono localizado no centro do triângulo. Em dois de seus vértices, possui grupos OH, que são doadores de ligações de hidrogênio; e no outro restante, um átomo de oxigênio do grupo C = O, aceitador de ligações de hidrogênio.

Assim, o H₂CO₃ tem forte tendência de interagir com solventes próticos ou oxigenados (e nitrogenados).

E, coincidentemente, a água atende a essas duas características, e tal é a afinidade de H₂CO₃ para ela que quase imediatamente lhe dá um H⁺ e um equilíbrio de hidrólise começa a ser estabelecido que envolve as espécies de HCO₃^– e H₃OU⁺.

É por isso que a mera presença de água decompõe o ácido carbônico e torna muito difícil isolá-lo como um composto puro.

Ácido carbônico puro

Voltando à molécula H₂CO₃Além de ser plano, capaz de estabelecer ligações de hidrogênio, pode apresentar isomeria cis-trans; Ou seja, na imagem temos o isômero cis, com os dois Hs apontando na mesma direção, enquanto no isômero trans eles apontariam em direções opostas.

O isômero cis é o mais estável dos dois, por isso é o único normalmente representado.

Um sólido puro de H₂CO₃ Consiste em uma estrutura cristalina composta por camadas ou folhas de moléculas interagindo com ligações de hidrogênio laterais. Isso era de se esperar, com a molécula H₂CO₃ plano e triangular. Quando sublimado, dímeros cíclicos (H₂CO₃)₂, que são unidos por duas ligações de hidrogênio C = O - OH.

A simetria dos cristais H₂CO₃ não foi capaz de se definir no momento. Foi considerado cristalizar como dois polimorfos: α-H₂CO₃e β- H₂CO₃. No entanto, α-H₂CO₃, sintetizado a partir de uma mistura de CH₃COOH-CO₂, foi mostrado que era realmente CH₃OCOOH: um éster monometílico de ácido carbônico.

Propriedades

Foi mencionado que o H₂CO₃ é um ácido diprótico, então pode doar dois íons H⁺ para um meio que os aceita. Quando este meio é água, as equações de sua dissociação ou hidrólise são:

H₂CO₃(ac) + H₂O (l) <=> HCO₃^–(ac) + H₃OU⁺(ac) (Ka₁ = 2,5×10⁻⁴)

HCO₃^–(ac) + H₂O (l) <=> CO₃^2-(ac) + H₃OU⁺(ac) (Ka₂ = 4,69×10⁻¹¹)

O HCO₃^– é o ânion bicarbonato ou hidrogenocarbonato, e o CO₃^2- o ânion carbonato. Também são indicadas suas respectivas constantes de equilíbrio, Ka₁e Ka₂. Ser Ka₂cinco milhões de vezes menor que Ka₁, a formação e concentração de CO₃^2- eles são desprezíveis.

Assim, embora seja um ácido diprótico, o segundo H⁺ mal consegue liberá-lo de maneira apreciável. No entanto, a presença de CO₂ dissolvido em grandes quantidades, basta acidificar o meio; neste caso, água, baixando seus valores de pH (abaixo de 7).

Falar de ácido carbônico é se referir praticamente a uma solução aquosa onde predominam as espécies de HCO₃^– e H₃OU⁺; não pode ser isolado por métodos convencionais, pois a menor tentativa mudaria o equilíbrio da solubilidade do CO₂ à formação de bolhas que escapariam da água.

Síntese

Dissolução

O ácido carbônico é um dos compostos mais fáceis de sintetizar. Como? O método mais simples é borbulhar, com a ajuda de um canudo ou canudo, o ar que exalamos em um volume de água. Porque essencialmente exalamos CO₂, isso borbulhará na água, dissolvendo uma pequena fração dela.

Quando fazemos isso, ocorre a seguinte reação:

CO₂(g) + H₂O (l) <=> H₂CO₃(ac)

Mas, por sua vez, a solubilidade do CO deve ser considerada₂ na água:

CO₂(g) <=> CO₂(ac)

Tanto o CO₂ como o H₂O são moléculas inorgânicas, então o H₂CO₃ é inorgânico deste ponto de vista.

Equilíbrio líquido-vapor

Como resultado, temos um sistema em equilíbrio que é altamente dependente das pressões parciais de CO₂, bem como a temperatura do líquido.

Por exemplo, se a pressão de CO₂ aumenta (caso sopremos o ar com mais força pelo canudo), mais H será formado₂CO₃ e o pH ficará mais ácido; desde então, o primeiro equilíbrio muda para a direita.

Por outro lado, se aquecermos a solução de H₂CO₃, a solubilidade do CO diminuirá₂ na água porque é um gás, e o equilíbrio então mudará para a esquerda (haverá menos H₂CO₃) Será semelhante se tentarmos aplicar um vácuo: o CO₂ ele escapará como as moléculas de água, o que mudaria o equilíbrio para a esquerda novamente.

Sólido puro

O acima nos permite chegar a uma conclusão: a partir de uma solução de H₂CO₃ não há como sintetizar este ácido como um sólido puro por um método convencional. Porém, isso tem sido feito, desde a década de 90 do século passado, a partir de misturas sólidas de CO₂ e H₂OU.

Para esta mistura sólida CO₂-H₂Ou a 50% é bombardeado com prótons (um tipo de radiação cósmica), para que nenhum dos dois componentes escape e ocorra a formação de H₂CO₃. Para este efeito, uma mistura CH₃OH-CO₂(lembre-se de α-H₂CO₃).

Outro método é fazer o mesmo, mas usando gelo seco diretamente, nada mais.

Dos três métodos, os cientistas da NASA conseguiram chegar a uma conclusão: ácido carbônico puro, sólido ou gasoso, pode existir nos satélites gelados de Júpiter, nas geleiras marcianas e nos cometas, onde essas misturas sólidas são constantemente irradiadas. por raios cósmicos.

Formulários

O próprio ácido carbônico é um composto inútil. A partir de suas soluções, entretanto, buffers baseados nos pares de HCO podem ser preparados.₃^–/ CO₃^2-ou H₂CO₃/ HCO₃^–.

Graças a essas soluções e à ação da enzima anidrase carbônica, presente nas hemácias, o CO₂ produzido na respiração pode ser transportado no sangue para os pulmões, onde é finalmente liberado para ser exalado fora de nosso corpo.

O borbulhar de CO₂ é utilizado para dar aos refrigerantes a sensação agradável e característica que deixam na garganta ao tomá-los.

Da mesma forma, a presença de H₂CO₃ Tem importância geológica na formação das estalactites calcárias, pois vai dissolvendo-as lentamente até produzirem os seus acabamentos pontiagudos.

E por outro lado, suas soluções podem ser usadas para preparar alguns bicarbonatos metálicos; Embora para isso seja mais lucrativo e mais fácil usar diretamente um sal de bicarbonato (NaHCO₃, por exemplo).

Riscos

O ácido carbônico tem uma vida útil mínima em condições normais (eles estimam em torno de 300 nanossegundos) que é praticamente inofensivo para o meio ambiente e os seres vivos. Porém, como já foi dito, isso não significa que não possa gerar uma alteração preocupante do pH da água do oceano, afetando a fauna marinha.

Por outro lado, o verdadeiro "risco" encontra-se na ingestão de água gaseificada, uma vez que a quantidade de CO₂ dissolvido neles é muito maior do que na água normal. No entanto, e novamente, não há estudos que tenham mostrado que beber água gaseificada representa um risco fatal; se eles ainda recomendam jejuar e combater a indigestão.

O único efeito negativo observado em quem bebe essa água é a sensação de saciedade, pois seus estômagos se enchem de gases. Fora isso (sem falar nos refrigerantes, já que são compostos por muito mais do que ácido carbônico), pode-se dizer que esse composto não é tóxico.

Referências

Day, R., & Underwood, A. (1989). Quantitative Analytical Chemistry (quinta ed.). PEARSON Prentice Hall.
Shiver & Atkins. (2008). Química Inorgânica. (Quarta edição). Mc Graw Hill.
Wikipedia. (2019). Ácido carbónico. Recuperado de: en.wikipedia.org
Danielle Reid. (2019). Ácido carbônico: Vídeo de formação, estrutura e equação química. Estude. Recuperado de: study.com
Götz Bucher e Wolfram Sander. (2014). Esclarecendo a estrutura do ácido carbônico. Vol. 346, Issue 6209, pp. 544-545. DOI: 10.1126 / science.1260117
Lynn Yarris. (22 de outubro de 2014). Novos conhecimentos sobre o ácido carbônico na água. Berkeley Lab. Recuperado de: newscenter.lbl.gov
Claudia Hammond. (2015, 14 de setembro). Água com gás é realmente ruim para você? Recuperado de: bbc.com
Jurgen Bernard. (2014). Ácido carbônico sólido e gasoso. Instituto de Físico-Química. Universidade de Innsbruck.