- מִבְנֶה
- מולקולה
- אינטראקציות מולקולריות
- חומצה פחמנית טהורה
- נכסים
- סִינתֶזָה
- התפרקות
- שיווי משקל אדי נוזלי
- מוצק טהור
- יישומים
- סיכונים
- הפניות
חומצה פחמתית הוא תרכובת אורגנית, למרות הוויכוח כמה באמת הוא אורגני, הנוסחה הכימית H 2 CO 3 . לכן זוהי חומצה דיפרוטית, המסוגלת לתרום שני יוני H + למדיום המימי כדי ליצור שני קטיונים מולקולריים H 3 O + . ממנו נובעים יוני הביקרבונט (HCO 3 - ) והקרבונט (CO 3 2- ) הידועים .
חומצה משונה זו, פשוטה, אך בה בעת מעורבת במערכות בהן מינים רבים משתתפים במאזן אדי נוזלים, נוצרת משתי מולקולות אורגניות בסיסיות: מים ופחמן דו חמצני. נוכחות של CO 2 לא מומסים נצפתה בכל פעם שיש מבעבע במים, עולה לעבר פני השטח.
זכוכית עם מים מוגזים, אחד המשקאות הנפוצים ביותר המכילים חומצה פחמית. מקור: Pxhere.
תופעה זו נראית באופן קבוע מאוד במשקאות מוגזים ובמים מוגזים.
במקרה של מים מוגזים או מוגזים (תמונה עליונה), כמות כזו של CO 2 התפרקה שלחץ האדים שלה הוא יותר מכפול מזה של הלחץ האטמוספרי. כאשר מתנתקים אותו, הפרש הלחץ בתוך הבקבוק ומחוצה לו מקטין את המסיסות של CO 2 , וזו הסיבה שנראות בועות שבסופו של דבר בורחות מהנוזל.
במידה פחותה, אותו דבר קורה בכל גוף של מים טריים או מלוחים: כשמחוממים הם ישחררו את תכולת ה- CO 2 המומס שלהם .
עם זאת, CO 2 לא רק מומס, אלא עובר טרנספורמציות במולקולה שלו שהופכות אותו ל- H 2 CO 3 ; חומצה שיש לה מעט מדי זמן חיים, אך די בכדי לסמן שינוי מדיד בחומציות ה- pH של המדיום הממיסי שלה, וגם לייצר מערכת חיץ ייחודית לקרבונט.
מִבְנֶה
מולקולה
מולקולת חומצה פחמנית המיוצגת על ידי מודל כדורי וסורגים. מקור: ג'ינטו ובן מילס דרך ויקיפדיה.
למעלה יש לנו מולקולת H 2 CO 3 , המיוצגת על ידי כדורים וסורגים. הכדוריות האדומות תואמות את אטומי החמצן, את השחור לאטום הפחמן ואת הלבן לאטומי המימן.
שימו לב, החל מהתמונה תוכלו לכתוב פורמולה תקפה נוספת לחומצה זו: CO (OH) 2 , בה CO הופך לקבוצת הפחמן, C = O, המקושר לשתי קבוצות הידרוקסיל, OH. מכיוון שיש שתי קבוצות OH, המסוגלות לתרום את אטומי המימן שלהן, מובן כעת מאיפה יונים H + שמשתחררים לסביבה.
מבנה מולקולרי של חומצה פחמית.
שימו לב גם כי ניתן לכתוב את הנוסחה CO (OH) 2 כ- OHCOOH; כלומר, מסוג RCOOH, כאשר R הוא במקרה זה קבוצת OH.
מסיבה זו, בנוסף לעובדה שהמולקולה מורכבת מאטומי חמצן, מימן ופחמן, הנפוצים מדי בכימיה אורגנית, חומצה פחמנית נחשבת בעיני חלק כתרכובת אורגנית. עם זאת, בסעיף הסינתזה שלה יוסבר מדוע אחרים רואים בו טבע לא אורגני ולא אורגני.
אינטראקציות מולקולריות
על המולקולה H 2 CO 3 ניתן להעיר כי הגיאומטריה שלה היא מישור טריגונאלי, כאשר הפחמן נמצא במרכז המשולש. בשני קודקודיו יש לו קבוצות OH, שהן תורמות לקשר מימן; ובשאר הנותרים, אטום חמצן מהקבוצה C = O, מקבל את קשרי המימן.
לפיכך, ל- H 2 CO 3 יש נטייה חזקה לאינטראקציה עם ממסים פרוטיים או מחומצנים (וחנקניים).
ובצירוף מקרים, מים ממלאים את שני המאפיינים הללו, והזיקה של H 2 CO 3 עבורם היא כזו שכמעט מייד הם מוותרים על H + ומתחיל להיווצר שיווי משקל הידרוליזי המערב את המינים HCO 3 - ו- H 3 O. + .
זו הסיבה שעצם נוכחותם של מים מפרקת חומצה פחמנית ומקשה מדי על בידודם כתרכובת טהורה.
חומצה פחמנית טהורה
כשהוא חוזר למולקולת H 2 CO 3 , הוא לא רק שטוח, מסוגל ליצור קשרי מימן, אלא הוא יכול גם להציג איזומרזם cis-trans; זהו, שבתמונה יש לנו איזומר cis, כאשר שני Hs מכוונים לאותו כיוון, ואילו באיזומר הטרנס הם היו מכוונים לכיוונים מנוגדים.
איזומר הציס הוא היציב יותר מבין השניים, וזו הסיבה שהוא היחיד שמיוצג בדרך כלל.
מוצק טהור של H 2 CO 3 מורכב ממבנה גבישי המורכב משכבות או סדינים של מולקולות האינטראקציה עם קשרי מימן לרוחב. זה צפוי, מולקולת H 2 CO 3 היא שטוחה ומשולשת. כאשר הוא מסובב, מופיעים דימרים מחזוריים (H 2 CO 3 ) 2 , אליהם מצטרפים שני קשרי מימן C = O-OH.
הסימטריה של גבישים H 2 CO 3 לא הוגדרה כרגע. זה נחשב להתגבש כשני פולימורפים: α-H 2 CO 3 ו- β-H 2 CO 3 . עם זאת, α-H 2 CO 3 , מסונתז מתערובת של CH 3 COOH-CO 2 , הוצג להיות בעצם CH 3 OCOOH: אסתר monomethyl של חומצה פחמתית.
נכסים
הוזכר כי H 2 CO 3 היא חומצה דיפרוטית, כך שהיא יכולה לתרום שני יוני H + למדיום שמקבל אותם. כאשר המדיום הזה הוא מים, המשוואות של ניתוקו או הידרוליזה שלו הן:
H 2 CO 3 (aq) + H 2 O (l) <=> HCO 3 - (aq) + H 3 O + (aq) (Ka 1 = 2.5 × 10 −4 )
HCO 3 - (aq) + H 2 O (l) <=> CO 3 2- (aq) + H 3 O + (aq) (Ka 2 = 4.69 × 10 −11 )
HCO 3 - הוא אניון הביקרבונט או המימן הפחמתי, ו- CO 3 2- אניון הפחמתי. קבועי שיווי המשקל בהתאמה, Ka 1 ו- Ka 2, מציינים גם הם . מכיוון שקא 2 קטן פי חמישה מיליון מקא 1 , ההיווצרות והריכוז של CO 3 2 זניחים.
כך, למרות שמדובר בחומצה דיפרוטית, ה- H + השני בקושי יכול לשחרר אותה בצורה ניכרת. עם זאת, די בנוכחות CO 2 מומס בכמויות גדולות כדי להחמיר את המדיום; במקרה זה, מים, מורידים את ערכי ה- pH שלהם (מתחת ל -7).
לדבר על חומצה פחמנית זה להתייחס למעשה לפיתרון מימי בו המינים HCO 3 - ו- H 3 O + שולטים ; לא ניתן לבודד אותו בשיטות קונבנציונאליות, שכן הניסיון הקל ביותר יעביר את מאזן המסיסות של CO 2 להיווצרות בועות שיברחו מהמים.
סִינתֶזָה
התפרקות
חומצה פחמנית היא אחת התרכובות הקלות ביותר לסינתזה. אֵיך? השיטה הפשוטה ביותר היא לבעבע בעזרת קש או קש את האוויר שאנו נושפים לנפח מים. מכיוון שאנו נושפים למעשה CO 2 , הוא יבעבע במים, ימיס חלק קטן ממנו.
כאשר אנו עושים זאת התגובה הבאה מתרחשת:
CO 2 (g) + H 2 O (l) <=> H 2 CO 3 (aq)
אך בתורו, יש לקחת בחשבון את המסיסות של CO 2 במים:
CO 2 (g) <=> CO 2 (aq)
גם CO 2 וגם H 2 O הם מולקולות אורגניות, ולכן H 2 CO 3 אינו אורגני מנקודת מבט זו.
שיווי משקל אדי נוזלי
כתוצאה מכך יש לנו מערכת שיווי משקל התלויה מאוד בלחצים החלקיים של CO 2 , כמו גם בטמפרטורת הנוזל.
לדוגמה, אם הלחץ של CO 2 גדל (במקרה בו אנו מפוצצים את האוויר בעוצמה רבה יותר דרך הקש), נוצר יותר H 2 CO 3 וה- pH יהפוך לחומצי יותר; מאז, שיווי המשקל הראשון עובר ימינה.
מצד שני, אם נחמם את תמיסת ה- H 2 CO 3 , המסיסות של CO 2 במים תפחת מכיוון שמדובר בגז, והשיווי משקל אז יעבור שמאלה (יהיה פחות H 2 CO 3 ). זה יהיה דומה אם ננסה להחיל ואקום: CO 2 יברח כמו גם מולקולות המים, אשר יעבירו את האיזון לשמאל שוב.
מוצק טהור
האמור לעיל מאפשר להגיע למסקנה: מפיתרון H 2 CO 3 אין דרך לסנתז חומצה זו כמוצק טהור בשיטה קונבנציונאלית. עם זאת, הדבר נעשה מאז שנות ה -90 של המאה שעברה, החל מתערובות מוצקות של CO 2 ו- H 2 O.
תערובת מוצקה זו של 50% CO 2 -H 2 O מופצצת בפרוטונים (סוג של קרינה קוסמית), כך שאף אחד משני המרכיבים לא יברח והיווצרות H 2 CO 3 מתרחשת . למטרה זו נעשה שימוש גם בתערובת CH 3 OH-CO 2 (זכרו α-H 2 CO 3 ).
שיטה נוספת היא לעשות את אותו הדבר אך באמצעות ישירות קרח יבש, לא יותר.
מבין שלוש השיטות, מדעני נאס"א הצליחו להגיע למסקנה אחת: חומצה פחמנית טהורה, מוצקה או גזי, יכולה להתקיים בלוויינים הקפואים של יופיטר, בקרחוני מאדים, ובשביטים, שבהם מוקרנים כל העת תערובות מוצקות כאלה. על ידי קרניים קוסמיות.
יישומים
חומצה פחמית בפני עצמה היא תרכובת חסרת תועלת. החל מפתרונות שלהם, לעומת זאת, הצפת פתרונות המבוססים על זוגות HCO 3 - / CO 3 2- או H 2 CO 3 / HCO 3 - ניתן להכין .
הודות לפתרונות אלה ולפעולתו של האנזים הפחמתי, הנמצא בתאי דם אדומים, ניתן להעביר את ה- CO 2 המיוצר בהנשמה בדם לריאות, שם הוא משוחרר סוף סוף לנשיפה מחוץ לגופנו.
מבעבע של CO 2 משמש למתן משקאות קלים לתחושה הנעימה והאופיינית שהם משאירים בגרון בעת שתייתם.
באופן דומה, לנוכחותו של H 2 CO 3 יש חשיבות גיאולוגית ביצירת נטיפים מאבן גיר, מכיוון שהוא ממיס אותם לאט לאט עד שהם מייצרים את גימורם המחודד.
ומצד שני, ניתן להשתמש בפתרונות שלה להכנת כמה ביקרבונטים מתכתיים; אם כי לצורך זה כדאי יותר וקל יותר להשתמש ישירות במלח ביקרבונט (NaHCO 3 , למשל).
סיכונים
לחומצה פחמנית יש זמן חיים כל כך זניח בתנאים רגילים (הם מעריכים כ -300 ננו-שניות) שהיא מזיקה למעשה לסביבה וליצורים חיים. עם זאת, כאמור, אין פירוש הדבר כי אין ביכולתה לחולל שינוי מדאיג ב pH של מים באוקיאנוס, המשפיע על החי הימי.
מצד שני, ה"סיכון "האמיתי נמצא בצריכת מים מוגזים, מכיוון שכמות ה- CO 2 המומסת בהם גבוהה בהרבה מאשר במים רגילים. עם זאת, ושוב, אין מחקרים שהראו כי שתיית מים מוגזים מהווה סיכון קטלני; אם הם אפילו ממליצים עליו לצום ולהילחם בעיכול.
ההשפעה השלילית היחידה שנצפתה אצל אלו ששותים מים אלה היא תחושת המלאות, שכן בטנם מתמלאת בגזים. מחוץ לכל זה (שלא לדבר על משקאות מוגזים, מכיוון שהם מורכבים הרבה יותר מסתם חומצה פחמית), ניתן לומר כי תרכובת זו אינה רעילה כלל.
הפניות
- Day, R., & Underwood, A. (1989). כימיה אנליטית כמותית (מהדורה חמישית). פרסון הול פרנסיס.
- שיבר ואטקינס. (2008). כימיה אורגנית. (גרסה רביעית). מק גריי היל.
- ויקיפדיה. (2019). חומצה פחמנית. התאושש מ: en.wikipedia.org
- דניאלה ריד. (2019). חומצה פחמנית: וידיאו להיווצרות, מבנה ומשוואה כימית. לימוד. התאושש מ: study.com
- גוטס בוקר וולפרם סנדר. (2014). הבהרת מבנה החומצה הפחמית. כרך 346, גיליון 6209, עמ '. 544-545. DOI: 10.1126 / science.1260117
- לין יארריס. (22 באוקטובר 2014). תובנות חדשות על חומצה פחמית במים. מעבדת ברקלי התאוששה מ: newscenter.lbl.gov
- קלאודיה האמונד. (2015, 14 בספטמבר). האם מים נוצצים באמת רע בשבילך? התאושש מ: bbc.com
- יורגן ברנרד. (2014). חומצה פחמנית מוצקה וגזי. המכון לכימיה פיזיקלית. אוניברסיטת אינסברוק.