Estrutura do ácido carbônico (H2CO3), propriedades, síntese, usos

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Alexander Pearson

O ácido carbónico É um composto inorgânico, embora haja quem discuta que seja realmente orgânico, cuja fórmula química é HdoisCO3. É, portanto, um ácido diprótico, capaz de doar dois íons H+ ao meio aquoso para gerar dois cátions moleculares H3OU+. Dele surgem os bem conhecidos íons bicarbonato (HCO3-) e carbonato (CO3dois-).

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

Copo com água gaseificada, uma das bebidas mais comuns que contém ácido carbônico. Fonte: Pxhere.

Este fenômeno é visto muito regularmente em bebidas gaseificadas e água gaseificada..

No caso de água carbonatada ou carbonatada (imagem acima), essa quantidade de CO foi dissolvidadois que sua pressão de vapor é mais do que o dobro da pressão atmosférica. Quando destampado, a diferença de pressão dentro e fora da garrafa diminui a solubilidade do COdois, 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.dois.

No entanto, o COdois Não é apenas dissolvido, mas sofre transformações em sua molécula que o tornam HdoisCO3; um ácido que tem muito pouco tempo de vida, mas o suficiente para marcar uma mudança mensurável no pH de seu meio solvente aquoso e também gerar um sistema tampão de carbonato único.

Índice do artigo

  • 1 Estrutura
    • 1.1 Molécula
    • 1.2 Interações moleculares
    • 1.3 Ácido carbônico puro
  • 2 propriedades
  • 3 Síntese
    • 3.1 Dissolução
    • 3.2 Equilíbrio líquido-vapor
    • 3.3 Sólido puro
  • 4 usos
  • 5 riscos
  • 6 referências

Estrutura

Molécula

Molécula de ácido carbônico representada por um modelo de esferas e barras. Fonte: Jynto e Ben Mills via Wikipedia.

Acima temos a molécula HdoisCO3, 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)dois, onde CO se torna o grupo carbonila, C = O, ligado a dois grupos hidroxila, OH. Uma vez que existem dois grupos OH, capazes de doar seus átomos de hidrogênio, agora se entende de onde vêm os íons H+ liberado para o meio.

Estrutura molecular do ácido carbônico.

Observe também que a fórmula CO (OH)dois pode ser escrito como OHCOOH; isto é, 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 como um composto orgânico. No entanto, na seção sobre sua síntese, será explicado porque outros o consideram de natureza inorgânica e não orgânica..

Interações moleculares

Da molécula HdoisCO3 Pode-se comentar que sua geometria é um 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 HdoisCO3 tem uma 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 HdoisCO3 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 seu isolamento como composto puro muito complicado..

Ácido carbônico puro

Voltando à molécula HdoisCO3, além de ser plano, capaz de formar pontes de hidrogênio, pode apresentar isomeria cis-trans; Ou seja, na imagem temos o isômero cis, com os dois H's apontando na mesma direção, enquanto no isômero trans eles apontariam em direções opostas..

O isômero cis é o mais estável dos dois, e é por isso que é o único que geralmente é representado.

Um sólido puro de HdoisCO3 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 HdoisCO3 plano e triangular. Quando sublimado, dímeros cíclicos (HdoisCO3)dois, que são unidos por duas ligações de hidrogênio C = O - OH.

A simetria dos cristais HdoisCO3 não foi capaz de definir no momento. Foi considerado que cristalizou como dois polimorfos: α-HdoisCO3 e β- HdoisCO3. No entanto, α-HdoisCO3, sintetizado a partir de uma mistura de CH3COOH-COdois, foi mostrado ser realmente CH3OCOOH: um éster monometílico de ácido carbônico.

Propriedades

Foi mencionado que o HdoisCO3 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:

HdoisCO3(ac) + HdoisO (l) <=> HCO3-(ac) + H3OU+(ac) (Ka1 = 2,5 × 10-4)

HCO3-(ac) + HdoisO (l) <=> CO3dois-(ac) + H3OU+(ac) (Kadois = 4,69 × 10-11)

O HCO3- é o ânion bicarbonato ou hidrogenocarbonato, e o CO3dois- o ânion carbonato. Também são indicadas suas respectivas constantes de equilíbrio, Ka1 e Kadois. Ser Kadois cinco milhões de vezes menor que Ka1, a formação e concentração de CO3dois- eles são desprezíveis.

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

Falar de ácido carbônico é referir-se praticamente a uma solução aquosa onde predominam as espécies de HCO.3- e H3OU+; não pode ser isolado por métodos convencionais, pois a menor tentativa mudaria o equilíbrio da solubilidade do COdois para a 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 COdois, Isso vai borbulhar na água, dissolvendo uma pequena fração dela.

Quando fazemos isso, ocorre a seguinte reação:

COdois(g) + HdoisO (l) <=> HdoisCO3(ac)

Mas, por sua vez, a solubilidade do CO deve ser considerada.dois na água:

COdois(g) <=> COdois(ac)

Tanto o COdois como o HdoisO são moléculas inorgânicas, então o HdoisCO3 é inorgânico deste ponto de vista.

Equilíbrio líquido-vapor

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

Por exemplo, se a pressão de COdois aumenta (no caso de soprarmos o ar com mais força pelo canudo), mais H será formadodoisCO3 e o pH se tornará mais ácido; uma vez que o primeiro equilíbrio muda para a direita.

Por outro lado, se aquecermos a solução de HdoisCO3, vai diminuir a solubilidade do COdois na água porque é um gás, e o equilíbrio então mudará para a esquerda (haverá menos HdoisCO3) Será semelhante se tentarmos aplicar um vácuo: o COdois ele escapará, bem 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 HdoisCO3 não há como sintetizar este ácido como um sólido puro por um método convencional. No entanto, isso tem sido feito, desde a década de 90 do século passado, a partir de misturas sólidas de CO.dois e HdoisOU.

Para esta mistura sólida COdois-HdoisOu a 50% é bombardeado com prótons (um tipo de radiação cósmica), de forma que nenhum dos dois componentes escape e ocorra a formação de HdoisCO3. Uma mistura de CH também tem sido usada para esse propósito.3OH-COdois (lembre-se de α-HdoisCO3).

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: o 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 ácido carbônico por si só é um composto inútil. A partir de suas soluções, entretanto, buffers baseados nos pares de HCO podem ser preparados.3-/ CO3dois- ou HdoisCO3/ HCO3-.

Graças a essas soluções e à ação da enzima anidrase carbônica, presente nas hemácias, o COdois 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 COdois serve para dar aos refrigerantes a sensação agradável e característica que deixam na garganta ao tomá-los.

Da mesma forma, a presença de HdoisCO3 Tem importância geológica na formação das estalactites calcárias, pois vai dissolvendo-as lentamente até dar origem aos 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 tão baixa 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 COdois dissolvido neles é muito maior do que na água normal. No entanto, e novamente, não há estudos que mostraram que beber água gaseificada representa um risco de ameaça à vida; 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 apenas ácido carbônico), pode-se dizer que esse composto não é tóxico de forma alguma..

Referências

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

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