- Struktur
- Molecule
- Molekylære interaktioner
- Ren kolsyre
- Ejendomme
- syntese
- Opløsning
- Flydende-damp-ligevægt
- Ren fast
- Applikationer
- Risici
- Referencer
Den kulsyre er en uorganisk forbindelse, selv om nogle debat faktisk er økologisk, den kemiske formel H 2 CO 3. Det er derfor et diprot syre, stand til at donere to H + ioner til det vandige medium for at danne to molekylære kationer H 3 O +. Fra det opstår den velkendte bicarbonat (HCO 3 -) og carbonat (CO 3 2-) ioner.
Denne særegne syre, enkel, men samtidig involveret i systemer, hvor adskillige arter deltager i en væske-damp-ligevægt, dannes af to grundlæggende uorganiske molekyler: vand og kuldioxid. Tilstedeværelsen af uopløst CO 2 observeres, når der bobler i vandet, stigende mod overfladen.
Glas med kulsyreholdigt vand, en af de mest almindelige drikkevarer, der indeholder kulsyre. Kilde: Pxhere.
Dette fænomen ses meget regelmæssigt i kulsyreholdige drikkevarer og kulsyreholdigt vand.
I tilfælde af kulsyreholdigt eller luftet vand (øverste billede) er en sådan mængde CO 2 opløst, at dets damptryk er mere end det dobbelte af atmosfæretrykket. Når man lukker den ud, mindsker trykforskellen inde i flasken og den udvendige opløseligheden af CO 2, hvorfor der vises bobler der ender med at undslippe væsken.
I mindre grad sker den samme ting i enhver krop af frisk eller saltvand: når de opvarmes, frigiver de deres opløste CO 2 -indhold.
Men CO 2 er ikke kun opløst, men undergår forandringer i sit molekyle, gøre det til H 2 CO 3; en syre, der har for lidt levetid, men nok til at markere en målbar ændring i pH-værdien i det vandige opløsningsmiddelmedium og også generere et unikt carbonatbuffersystem.
Struktur
Molecule
Carbonsyremolekyle repræsenteret ved en kugle- og stangmodel. Kilde: Jynto og Ben Mills via Wikipedia.
Ovenfor har vi H 2 CO 3 -molekylet repræsenteret af kugler og stænger. De røde kugler svarer til iltatomerne, det sorte til carbonatomet og det hvide til brintatomerne.
Bemærk, at man fra billedet kan skrive en anden gyldig formel for denne syre: CO (OH) 2, hvor CO bliver carbonylgruppen, C = O, bundet til to hydroxylgrupper, OH. Da der er to OH-grupper, der er i stand til at donere deres hydrogenatomer, forstås det nu, hvor H + -ionerne, der frigives i miljøet, kommer fra.
Molecular struktur af kolsyre.
Bemærk også, at formlen CO (OH) 2 kan skrives som OHCOOH; det vil sige af RCOOH-typen, hvor R i dette tilfælde er en OH-gruppe.
Af denne grund ud over det faktum, at molekylet består af ilt, brint og carbonatomer, alt for almindeligt i organisk kemi, betragtes kulsyre af nogle for at være en organisk forbindelse. I afsnittet om syntese vil det imidlertid blive forklaret, hvorfor andre betragter det som uorganisk og ikke-organisk.
Molekylære interaktioner
Af molekylet H 2 CO 3 kan det kommenteres, at dets geometri er et trigonalt plan, med carbonet placeret i midten af trekanten. I to af dets vertikater har det OH-grupper, der er brintbindingdonorer; og i det andet tilbage, et oxygenatom i gruppen C = O, acceptor af hydrogenbindinger.
Således H 2 CO 3 har en stærk tendens til at interagere med protiske eller oxygenerede (og kvælstofholdige) opløsningsmidler.
Og tilfældigvis, vand opfylder disse to egenskaber og affiniteten af H 2 CO 3 for det er sådan, at næsten øjeblikkeligt den giver op en H + og en hydrolyse ligevægt begynder skal etableres der involverer arterne HCO 3 - og H 3 O +.
Det er grunden til, at den blotte tilstedeværelse af vand nedbryder kullsyre og gør det for svært at isolere det som en ren forbindelse.
Ren kolsyre
Vender tilbage til H 2 CO 3 molekyle, er det ikke kun flad, stand til at etablere hydrogenbindinger, men det kan også tilstedeværende cis-trans-isomeri; Dette er, på billedet har vi cis-isomeren, hvor de to H'er peger i samme retning, mens de i transisomeren peger i modsatte retninger.
Cis-isomeren er den mere stabile af de to, og derfor er den den eneste, der normalt er repræsenteret.
En ren faststof af H 2 CO 3 består af en krystallinsk struktur bestående af lag eller plader af molekyler, der interagerer med laterale hydrogenbindinger. Dette kan forventes, H 2 CO 3 molekyle væsen flad og trekantet. Når det sublimerer, cykliske dimerer (H 2 CO 3) 2 vises, som er forbundet af to hydrogenbindinger C = O-OH.
Symmetrien af H 2 CO 3 krystaller er ikke defineret for øjeblikket. Det blev anset for at krystallisere som to polymorfer: α-H 2 CO 3 og β-H 2 CO 3. Imidlertid α-H 2 CO 3, syntetiseret fra en blanding af CH 3 COOH-CO 2, viste sig at være faktisk CH 3 OCOOH: en monomethylester af kulsyre.
Ejendomme
Det blev nævnt, at H 2 CO 3 er en diprot syre, så den kan donere to H + -ioner til et medium, der accepterer dem. Når dette medium er vand, er ligningerne af dets dissociation eller hydrolyse:
H 2 CO 3 (aq) + H 2 O (l) <=> HCO 3 - (aq) + H 3 O + (aq) (Ka 1 = 2,5 x 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 bicarbonatet eller hydrogen carbonatanion, og CO 3 2- carbonatet anion. Deres respektive ligevægtskonstanter, Ka 1 og Ka 2, er også angivet. Da Ka 2 er fem millioner gange mindre end Ka 1, er dannelsen og koncentrationen af CO 3 2- ubetydelig.
Selv om det er en diprot syre, den anden H + kan næppe frigøre det mærkbart. Tilstedeværelsen af opløst CO 2 i store mængder er imidlertid nok til at forsure mediet; i dette tilfælde vand ved at sænke dets pH-værdier (under 7).
At tale om kulsyre er at henvise praktisk talt til en vandig opløsning, hvor arterne HCO 3 - og H 3 O + fremherskende; det kan ikke isoleres ved konventionelle metoder, da det mindste forsøg ville flytte CO 2 -opløselighedsbalancen til dannelsen af bobler, der ville undslippe fra vandet.
syntese
Opløsning
Kulsyre er en af de nemmeste forbindelser at syntetisere. Hvordan? Den enkleste metode er at boble luft ved hjælp af et strå eller halm ud i en mængde vand. Fordi vi i det væsentlige udånder CO 2, bobler det i vandet og opløser en lille brøkdel af det.
Når vi gør dette, sker følgende reaktion:
CO 2 (g) + H 2 O (l) <=> H 2 CO 3 (aq)
Men til gengæld skal opløseligheden af CO 2 i vand overvejes:
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.
Flydende-damp-ligevægt
Som et resultat har vi et ligevægtssystem, der er meget afhængig af det delvise tryk af CO 2 såvel som væskens temperatur.
For eksempel, hvis CO 2 -trykket øges (i tilfælde af at vi blæser luften med mere kraft gennem halmen), dannes mere H 2 CO 3, og pH-værdien bliver surere; siden skifter den første ligevægt til højre.
På den anden side, hvis vi opvarmer H 2 CO 3 -opløsningen, vil opløseligheden af CO 2 i vand falde, fordi det er en gas, og ligevægten skifter derefter til venstre (der vil være mindre H 2 CO 3). Det vil være ens, hvis vi prøver at anvende et vakuum: CO 2 vil undslippe såvel som vandmolekylerne, hvilket vil skubbe balancen mod venstre igen.
Ren fast
Ovenstående tillader os at nå en konklusion: fra en H 2 CO 3 -opløsning er der ingen måde at syntetisere denne syre som et rent fast stof ved en konventionel metode. Det har imidlertid været gjort, siden 90'erne i sidste århundrede, startende fra faste blandinger af CO 2 og H 2 O.
Denne faste blanding af 50% CO 2 H 2 O bombarderes med protoner (en type af kosmisk stråling), således at ingen af de to komponenter vil undslippe og dannelsen af H 2 CO 3 opstår. Til dette formål, en CH 3 OH-CO 2 er blanding også været anvendt (husk α-H 2 CO 3).
En anden metode er at gøre det samme, men at bruge direkte is direkte, intet mere.
Fra de tre metoder var NASA-forskere i stand til at nå en konklusion: ren kulsyre, fast eller gasformig, kan eksistere i de iskaldte satellitter i Jupiter, i Martian gletsjere og i kometer, hvor sådanne faste blandinger konstant bestråles. af kosmiske stråler.
Applikationer
Kulsyre i sig selv er en ubrugelig forbindelse. Fra deres løsninger imidlertid buffer løsninger baseret på parrene HCO 3 - / CO 3 2- eller H 2 CO 3 / HCO 3 -, kan fremstilles.
Takket være disse opløsninger og virkningen af det kulsyreanhydrasenzym, der er til stede i røde blodlegemer, kan den CO 2, der produceres i respiration, transporteres i blodet til lungerne, hvor den endelig frigøres for at blive udåndet uden for vores krop.
Boblingen af CO 2 bruges til at give læskedrikke den behagelige og karakteristiske fornemmelse, som de efterlader i halsen, når man drikker dem.
Ligeledes tilstedeværelsen af H 2 CO 3 har geologisk betydning i dannelsen af kalksten stalaktitter, da det langsomt opløses dem, indtil de stammer deres spidse finish.
Og på den anden side kan dens opløsninger bruges til at fremstille nogle metalliske bicarbonater; skønt det er mere rentabelt og lettere at bruge et bicarbonatsalt direkte (f.eks. NaHCO 3).
Risici
Kulsyre har en så ubetydelig levetid under normale forhold (de estimerer ca. 300 nanosekunder), at det praktisk taget er ufarligt for miljøet og levende væsener. Som tidligere nævnt betyder det ikke, at det ikke kan skabe en bekymrende ændring i havvandets pH-værdi, der påvirker havfaunaen.
På den anden side findes den reelle "risiko" ved indtag af kulsyreholdigt vand, da mængden af CO 2, der er opløst i dem, er meget højere end i normalt vand. Men igen, er der ingen undersøgelser, der har vist, at drikke kulsyreholdigt vand udgør en dødelig risiko; hvis de endda anbefaler det at faste og bekæmpe fordøjelsesbesvær.
Den eneste negative effekt, der observeres hos dem, der drikker dette vand, er følelsen af fylde, da deres maver fyldes med gasser. Uden for dette (for ikke at nævne sodavand, da de består af meget mere end bare kulsyre), kan det siges, at denne forbindelse slet ikke er giftig.
Referencer
- Day, R., & Underwood, A. (1989). Kvantitativ analytisk kemi (femte udgave). PEARSON Prentice Hall.
- Shiver & Atkins. (2008). Uorganisk kemi. (Fjerde udgave). Mc Graw Hill.
- Wikipedia. (2019). Kulsyre. Gendannet fra: en.wikipedia.org
- Danielle Reid. (2019). Kulsyre: Dannelse, struktur og kemisk ligning Video. Undersøgelse. Gendannes fra: study.com
- Götz Bucher & Wolfram Sander. (2014). Afklaring af kulsyreopbygningen. Bind 346, udgave 6209, pp. 544-545. DOI: 10.1126 / science.1260117
- Lynn Yarris. (22. oktober 2014). Ny indsigt i kolsyre i vand. Berkeley Lab. Genvundet fra: newscenter.lbl.gov
- Claudia Hammond. (2015, 14. september). Er mousserende vand virkelig dårligt for dig? Gendannes fra: bbc.com
- Jurgen Bernard. (2014). Fast og gasformig kulsyre. Institut for Fysisk Kemi. University of Innsbruck.