Carbonsäure (H2CO3) -Struktur, Eigenschaften, Synthese, verwendet

Er Kohlensäure Es ist eine anorganische Verbindung, obwohl es diejenigen gibt, die darüber diskutieren, dass sie tatsächlich organisch ist, deren chemische Formel H ist₂CO₃. Es ist daher eine diprotische Säure, die zwei Hionen spenden kann⁺ in die wässrige Umgebung, um zwei molekulare Kationen H zu erzeugen H₃ENTWEDER⁺. Von ihm entstehen die bekannten Bicarbonat -Ionen (HCO₃^-) und Carbonat (co₃^2-).

Diese eigenartige Säure, einfach, aber gleichzeitig an Systemen beteiligt, in denen zahlreiche Arten an einem Gleichgewicht zwischen Flüssigkeit und Dampf beteiligt sind, wird aus zwei grundlegenden anorganischen Molekülen gebildet: Wasser und Kohlendioxid. Das Vorhandensein von CO₂ Es wird immer beobachtet, dass sich im Wasser eine Blase befindet, die zur Oberfläche aufsteigt.

Glas mit vergeuertem Wasser, eines der häufigsten Getränke, die Kohlensäure enthalten. Quelle: pxhere.

Dieses Phänomen wird regelmäßig in Erfrischungsgetränken und kohlensäurehaltigem Wasser gesehen.

Bei kohlensäurehaltigem oder vergeudetem Wasser (überlegenes Bild) wurde eine solche Menge gelöst₂ dass Ihr Dampfdruck mehr als doppelter atmosphärischer Druck ist. Durch die Aufdeckung verringert der Druckunterschied in der Flasche und das Äußere die Löslichkeit des CO₂, Also erscheinen die Blasen, die am Ende entkommen, der Flüssigkeit.

In geringerem Maße passiert dasselbe in jeder Masse von frischem oder salzhaltigem Wasser: Wenn sie sie erwärmen₂.

Allerdings der CO₂ Es wird nicht nur aufgelöst, sondern leidet auch in seinem Molekül, die es zum h machen₂CO₃; Eine Säure, die ein sehr kleines Leben hat, aber genug, um eine mesurable Veränderung des pH -Werts seiner wässrigen Lösungsmittelumgebung zu markieren und auch ein einzigartiges Carbonatpuffersystem zu erzeugen.

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Struktur

Molekül

Kohlensäuremolekül, dargestellt mit einem Kugeln und Balkenmodell. Quelle: Jynto und Ben Mills über Wikipedia.

Wir haben das H -Molekül₂CO₃, mit Kugeln und Balken dargestellt. Die roten Kugeln entsprechen Sauerstoffatomen, Schwarz bis Kohlenstoffatom und weißen Wasserstoffatomen.

Beachten Sie, dass Sie aus dem Bild eine andere gültige Formel für diese Säure schreiben können: CO (OH)₂, wobei CO die Carbonylgruppe wird, C = O, verbunden mit zwei Hydroxylgruppen, OH. Wenn es zwei OH -Gruppen gibt, die in der Lage sind, ihre Wasserstoffatome zu spenden, wird nun verstanden⁺ in der Mitte veröffentlicht.

Molekülstruktur von Kohlensäure.

Beachten Sie, dass die Formel Co (OH)₂ Es kann als Ohcooh geschrieben werden; das heißt vom Typ RCOOH, wobei R in diesem Fall eine OH -Gruppe wird.

Aus diesem Grund besteht auch die Tatsache, dass das Molekül aus Sauerstoff-, Wasserstoff- und Kohlenstoffatomen besteht, die in der organischen Chemie zu häufig sind, von einigen als organische Verbindung betrachtet wird. Im Abschnitt seiner Synthese wird jedoch erklärt, warum andere es als anorganische und nicht organische Natur betrachten.

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Molekulare Wechselwirkungen

Des Moleküls H₂CO₃ Es kann kommentiert werden, dass seine Geometrie trigonal flach ist und der Kohlenstoff in der Mitte des Dreiecks befindet. In zwei seiner Scheitelpunkte hat es die OH -Gruppen, die Spender der Wasserstoffbrücke sind; Und im verbleibenden anderen ein Sauerstoffatom der Gruppe C = O, Wasserstoffbrückenakzeptor.

So, h₂CO₃ Es hat eine starke Tendenz, mit Protik oder sauerstoffhaltigen Lösungsmitteln (und auch Stickstoff) zu interagieren.

Und zufällig erfüllt Wasser diese beiden Eigenschaften, und die Affinität von H ist so₂CO₃ Für sie gibt das fast sofort ein h⁺ Und ein Hydrolyse -Gleichgewicht, an dem HCO -Arten beteiligt sind₃^- und h₃ENTWEDER⁺.

Deshalb zersetzt das Vorhandensein von Wasser Kohlensäure und macht seine Isolierung als reine Verbindung zu kompliziert.

Reine Kohlensäure

Rückkehr zum H -Molekül₂CO₃, Es ist nicht nur flach, sondern in der Lage, Wasserstoffbrücken zu etablieren, sondern kann auch cis-trans-iomeía aufweisen. Dies ist, im Bild haben wir das cis -Isomer, wobei die beiden h in die gleiche Richtung zeigen, während sie im Trans -Isomer in entgegengesetzte Richtungen zeigen würden.

Das CIS -Isomer ist das stabilste für beide, und deshalb ist es der einzige, der normalerweise dargestellt wird.

Ein reiner Feststoff von H₂CO₃ Es besteht aus einer kristallinen Struktur aus Schichten oder Molekülenblättern, die mit Seitenwasserstoffbrücken interagieren. Dies wird erwartet, da das Molekül H ist₂CO₃ Flach und dreieckig. Wenn sublimal, erscheinen zyklische Dämmerungen (h₂CO₃)₂, die von zwei Wasserstoffbrücken verbunden sind c = o - oh.

Die Symmetrie der HR₂CO₃ Es war nicht in der Lage, von den Momenten definiert zu werden. Es wurde als zwei Polymorphen kristallisiert: α-H₂CO₃ und β-h₂CO₃. Α-H₂CO₃, basierend auf einer Mischung aus Cho synthetisiert₃Cooh-Co₂, Es wurde gezeigt, dass es tatsächlich Cho war₃Oroh: Ein Monometrie -Kohlensäurigenster.

Eigenschaften

Es wurde erwähnt, dass h₂CO₃ Es ist eine diprotische Säure, sodass Sie zwei H -Ionen spenden können⁺ zu einem Medium, das sie akzeptiert. Wenn dieses Medium Wasser ist, sind die Gleichungen seiner Dissoziation oder Hydrolyse::

H₂CO₃(Ac) + h₂Oder (l) HCO₃^-(Ac) + h₃ENTWEDER⁺(AC) (Ka₁ = 2,5 × 10^–4)

HCO₃^-(Ac) + h₂Oder (l) co₃^2-(Ac) + h₃ENTWEDER⁺(AC) (Ka₂ = 4,69 × 10^–11)

Der HCO₃^- Es ist das Bicarbonat- oder Wasserstoffkoarbonatanion und der CO₃^2- Das Carbonatanion. Sie geben auch ihre jeweiligen Gleichgewichtskonstanten an, Ka₁ und Ka₂. Ka sein₂ Fünf Millionen Mal kleiner als Ka₁, Die Bildung und Konzentration von CO₃^2- Sie sind verabscheuungswürdig.

Also, auch wenn es sich um eine diprotische Säure handelt, die zweite h⁺ Sie können es kaum veröffentlichen. Das Vorhandensein von CO₂ in großen Mengen gelöst genug, um das Medium zu säuern; In diesem Fall Wasser, die pH -Werte senkt (unter 7).

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Das Sprechen über Kohlensäure bezieht sich praktisch auf eine wässrige Lösung, bei der HCO -Arten vorherrschen₃^- und h₃ENTWEDER⁺; Es kann nicht durch herkömmliche Methoden isoliert werden, da die geringsten Versuche das Löslichkeitsbilanz des CO verdrängen würden₂ zur Bildung von Blasen, die aus dem Wasser entkommen würden.

Synthese

Auflösung

Carbonsäure ist eine der am einfachsten zu synthetisierten Verbindungen. Als? Die einfachste Methode besteht darin, mit Hilfe eines Strohhalms oder Sorbetes, der Luft, die wir in einem Wasservolumen ausatmen, zu sprudeln. Weil wir im Wesentlichen ausatmen₂, Diese Blase im Wasser, löst einen kleinen Teil desselben auf.

Wenn wir dies tun, tritt die folgende Reaktion auf:

CO₂(g) + h₂Oder (l) h₂CO₃(Ac)

Aber wiederum muss die Löslichkeit des CO berücksichtigt werden₂ im Wasser:

CO₂(g) co₂(Ac)

Beide co₂ wie h₂Oder sind anorganische Moleküle, also h₂CO₃ Es ist seit diesem Punkt anorganisch.

Flüssigkeitsdampfbalance

Infolgedessen haben wir ein System im Gleichgewicht, das stark vom Teildruck des CO abhängt₂, sowie flüssige Temperatur.

Zum Beispiel, wenn der Druck des CO₂ Es nimmt zu (falls wir die Luft mit mehr Kraft durch das Sorbet blasen), wird sich mehr H bilden₂CO₃ und der pH wird saurer; Da bewegt sich das erste Gleichgewicht nach rechts.

Andererseits, wenn wir die Auflösung von H erhitzen₂CO₃, Die Löslichkeit des CO nimmt ab₂ Im Wasser, weil es ein Gas ist und der Gleichgewicht dann nach links bewegt (es wird weniger h sein₂CO₃). Ähnlich wird sein, wenn wir versuchen, ein Vakuum anzuwenden: der CO₂ Es wird ebenso entkommen wie die Wassermoleküle, die das Gleichgewicht wieder nach links bewegen würden.

Rein fest

Das obige ermöglicht eine Schlussfolgerung: aus einer Lösung von H₂CO₃ Es gibt keine Möglichkeit, diese Säure als reiner Feststoff durch eine konventionelle Methode zu synthetisieren. Seit den 90ern des letzten Jahrhunderts wurde es jedoch getan, beginnend mit soliden Mischungen von CO₂ und h₂ENTWEDER.

Zu dieser festen Mischung co₂-H₂Oder bei 50% wird es mit Protonen bombardiert (eine Art kosmischer Strahlung), so dass keiner der beiden Komponenten entweichen und die Bildung von H auftritt₂CO₃. Zu diesem Zweck wurde auch eine Cho -Mischung verwendet₃OH-CO₂ (Denken Sie an α-H₂CO₃).

Eine andere Methode besteht darin, dasselbe zu tun, aber direkt mit Trockeneis, nichts mehr.

Von den drei Methoden könnten die Wissenschaftler von NASA zu einer Schlussfolgerung kommen: reine, feste oder gasförmige Kohlensäure können in Jupiter -Eis, in den Marsgletschern und in Kometen existieren, in denen solche festen Gemische ständig für kosmische Strahlen bestrahlt werden.

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Anwendungen

Carbonsäure selbst ist eine Verbindung ohne Nützlichkeit. Von seinen Lösungen können Sie jedoch Dämpfungslösungen auf der Grundlage der HCO -Kollegen vorbereiten₃^-/Co₃^2- oder h₂CO₃/Hco₃^-.

Dank dieser Lösungen und der Wirkung des Carbonicanhydrase -Enzyms, die in den roten Blutkörperchen vorhanden sind, CO₂ In Atem erzeugt werden im Blut in die Lunge transportiert werden, wo es endlich freigesetzt wird, um außerhalb unseres Körperes auszuatmen.

Der Bubjueo des CO₂ Es nutzt die Gaside des angenehmen und charakteristischen Gefühls, das sie beim Trinken im Hals lassen.

Auch das Vorhandensein von H₂CO₃ Es hat eine geologische Bedeutung für die Bildung von Kalksteinstalaktiten, da es sie langsam auflöst, bis sie ihre spitzen Oberflächen entstehen.

Andererseits können ihre Lösungen verwendet werden, um einige Metallbicarbonate vorzubereiten. Obwohl es profitabler und einfacher ist, ein Bicarbonat -Salz zu verwenden (Nahco₃, Zum Beispiel).

Risiken

Carbonsäure hat ein so kleines Leben unter normalen Bedingungen (sie schätzen, dass etwa 300 Nanosekunden), was praktisch harmlos für die Umwelt und Lebewesen ist. Wie bereits erwähnt, bedeutet dies jedoch nicht, dass es keine besorgniserregende Veränderung des pH -Werts des Meerwassers erzeugen kann, was die Meeresfauna beeinflusst.

Andererseits liegt das wahre "Risiko" in der vergeudeten Wasseraufnahme, da die Menge an CO₂ In ihnen gelöst ist viel größer als in normalem Wasser. Es gibt jedoch auch keine Studien, die gezeigt haben, dass das Trinken von vergeudetem Wasser ein tödliches Risiko darstellt. Wenn Sie es überhaupt empfehlen, die Verdauungsstörungen zu fasten und Verdauungsstörungen zu bekämpfen.

Der einzige negative Effekt, der auf diejenigen beobachtet wird, die dieses Wasser trinken, ist das Gefühl der Fülle, da ihre Mägen mit Gasen gefüllt sind. Daraus (ganz zu schweigen von den Erfrischungsgetränken, da sie viel mehr als nur Kohlensäure bestehen) kann gesagt werden, dass diese Verbindung überhaupt nicht giftig ist.

Verweise

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