Ácido carbónico - Carbonic acid

Não deve ser confundido com ácido carbólico .

Fórmula estrutural
Modelo bola e pau
Nomes
Nome IUPAC
Ácido carbónico
Outros nomes
Ácido hidroxifórmico Ácido
hidroximetanóico
dihidroxicarbonil
Identificadores
Modelo 3D ( JSmol )
ChEBI
ChEMBL
ChemSpider
DrugBank
ECHA InfoCard 100.133.015 Edite isso no Wikidata
Número EC
25554
KEGG
  • InChI = 1S / CH2O3 / c2-1 (3) 4 / h (H2,2,3,4) VerificaY
    Chave: BVKZGUZCCUSVTD-UHFFFAOYSA-N VerificaY
  • InChI = 1 / H2O3 / c2-1 (3) 4 / h (H2,2,3,4)
    Chave: BVKZGUZCCUSVTD-UHFFFAOYAU
  • O = C (O) O
Propriedades
H 2 CO 3
Ponto de fusão −80 ° C (−112 ° F; 193 K) (decompõe-se)
Base conjugada Bicarbonato , Carbonato
Exceto onde indicado de outra forma, os dados são fornecidos para materiais em seu estado padrão (a 25 ° C [77 ° F], 100 kPa).
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Referências da Infobox

Na química, o ácido carbônico é um ácido dibásico com a fórmula química H 2 CO 3. O composto puro se decompõe a temperaturas superiores a ca. -80 ° C.

Em bioquímica, o nome "ácido carbônico" é frequentemente aplicado a soluções aquosas de dióxido de carbono , que desempenham um papel importante no sistema tampão de bicarbonato , usado para manter a homeostase ácido-base .

Equilíbrio químico

Valores constantes de equilíbrio

Gráfico de Bjerrum para especiação de carbonato na água do mar (força iônica 0,7 mol dm -3 )

Em solução aquosa, o ácido carbônico se comporta como um ácido dibásico. O gráfico de Bjerrum mostra as concentrações de equilíbrio típicas, em solução, na água do mar , de dióxido de carbono e as várias espécies derivadas dele, em função do pH. A acidificação das águas naturais é causada pelo aumento da concentração de dióxido de carbono na atmosfera, que é causada pela queima de quantidades crescentes de carvão e hidrocarbonetos .

A mudança esperada refere-se ao efeito previsto da acidificação contínua do oceano . Foi estimado que o aumento do dióxido de carbono dissolvido fez com que o pH médio da superfície do oceano diminuísse em cerca de 0,1 em relação aos níveis pré-industriais.

O banco de dados de constantes de estabilidade contém 136 entradas com valores para as constantes de protonação gerais , β 1 e β 2 , do íon carbonato. Nas seguintes expressões [H + ] representa a concentração, em equilíbrio, da espécie química H + , etc.

O valor de log p 1 diminui com o aumento da força iónica , . A 25 ° C:

 :
(dados selecionados do banco de dados SC)

O valor de log β 2 também diminui com o aumento da força iônica.

 :

Em = 0 e 25 ° C, os valores de pK das constantes de dissociação graduais são

pK 1 = logβ 2 - logβ 1 = 6,77.
pK 2 = logβ 1 = 9,93.

Quando pH = pK, as duas espécies químicas em equilíbrio entre si têm a mesma concentração.

Nota 1 : Existem valores aparentemente conflitantes na literatura para pK a . Pines et al. cite um valor para "pK app " de 6,35, consistente com o valor 6,77, mencionado acima. Eles também fornecem um valor para "pK a " de 3,49 e afirmam que

pK a = pK app - log K D (eq. 5)

onde K D = [CO 2 ] / [H 2 CO 3 ]. (eq. 3) A situação surge da forma como as constantes de dissociação são nomeadas e definidas, o que é claramente afirmado no texto do artigo de Pines, mas não no abstrato.

Nota 2 : A numeração das constantes de dissociação é o inverso da numeração da numeração das constantes de associação , então pK 2 (dissociação) = log β 1 (associação). O valor da constante gradual para o equilíbrio

É dado por

pK 1 (dissociação) 1 = log β 2 - log β 1 (associação)

Em soluções não biológicas

A constante de equilíbrio de hidratação a 25 ° C é chamada de K h , que no caso do ácido carbônico é [H 2 CO 3 ] / [CO 2 ] ≈ 1,7 × 10 −3 em água pura e ≈ 1,2 × 10 −3 na água do mar . Assim, a maior parte do dióxido de carbono não é convertida em ácido carbônico, permanecendo como moléculas de CO 2 . Na ausência de um catalisador , o equilíbrio é alcançado muito lentamente. As constantes de taxa são 0,039 s −1 para a reação direta e 23 s −1 para a reação reversa.

Na natureza, o calcário pode reagir com a água da chuva , formando uma solução de bicarbonato de cálcio ; a evaporação de tal solução resultará na re-formação do carbonato de cálcio sólido. Esses processos ocorrem na formação de estalactites e estalagmites .

Em soluções biológicas

Quando a enzima anidrase carbônica também está presente na solução, a seguinte reação tem precedência.

Quando a quantidade de dióxido de carbono criada pela reação direta excede sua solubilidade, o gás é desenvolvido e um terceiro equilíbrio

também deve ser levado em consideração. A constante de equilíbrio para esta reação é definida pela lei de Henry . As duas reações podem ser combinadas para o equilíbrio em solução.

 :   

Quando a lei de Henry é usada para calcular o valor do termo no denominador , é necessário cuidado com a dimensionalidade.

Na fisiologia , o dióxido de carbono excretado pelos pulmões pode ser denominado ácido volátil ou ácido respiratório .

Uso do termo ácido carbônico

Especiação de um ácido monoprótico, AH em função do pH.

Estritamente falando, o termo "ácido carbônico" refere-se ao composto químico com a fórmula .

Já que pK a1 tem um valor de ca. 6,8, no equilíbrio, o ácido carbônico estará quase 50% dissociado no fluido extracelular ( citosol ), que tem um pH de cerca de 7.2. Observe que o dióxido de carbono dissolvido no fluido extracelular é freqüentemente chamado de "ácido carbônico" na literatura bioquímica, por razões históricas. A reação em que é produzido

HCO 3 - + H + ⇌ CO 2 + H 2 O

é rápido em sistemas biológicos. O dióxido de carbono pode ser descrito como o anidrido do ácido carbônico.

Ácido carbônico puro

O ácido carbônico, H 2 CO 3 , é estável à temperatura ambiente em condições estritamente anidras . Ele se decompõe para formar dióxido de carbono na presença de qualquer molécula de água.

O ácido carbônico forma-se como subproduto da irradiação de CO 2 / H 2 O, além do monóxido de carbono e espécies radicais (HCO e CO 3 ). Outra via para formar ácido carbônico é a protonação de bicarbonatos (HCO 3 - ) com HCl ou HBr aquoso. Isso deve ser feito em condições criogênicas para evitar a decomposição imediata de H 2 CO 3 em CO 2 e H 2 O. H 2 CO 3 amorfo se forma acima de 120 K, e a cristalização ocorre acima de 200 K para dar "β-H 2 CO 3 ", conforme determinado por espectroscopia de infravermelho . O espectro de β-H 2 CO 3 concorda muito bem com o subproduto após a irradiação de CO 2 / H 2 O. β-H 2 CO 3 sublima a 230-260 K em grande parte sem decomposição. A espectroscopia de infravermelho com isolamento de matriz permite o registro de moléculas únicas de H 2 CO 3 .

O fato de que o ácido carbônico pode se formar por irradiação de uma mistura sólida de H 2 O + CO 2 ou mesmo por implantação de prótons de gelo seco sozinho deu origem a sugestões de que H 2 CO 3 pode ser encontrado no espaço sideral ou em Marte , onde Gelos congelados de H 2 O e CO 2 são encontrados, bem como raios cósmicos . A surpreendente estabilidade do H 2 CO 3 sublimado até temperaturas bastante altas de 260 K permite até mesmo H 2 CO 3 em fase gasosa , por exemplo, acima das calotas polares de Marte. Cálculos ab initio mostraram que uma única molécula de água catalisa a decomposição de uma molécula de ácido carbônico em fase gasosa em dióxido de carbono e água. Na ausência de água, prevê-se que a dissociação do ácido carbônico gasoso seja muito lenta, com meia-vida na fase gasosa de 180.000 anos a 300 K. Isso só se aplica se as moléculas forem poucas e distantes, porque também foi previsto que o ácido carbônico em fase gasosa catalisará sua própria decomposição, formando dímeros , que então se dividem em duas moléculas, cada uma de água e dióxido de carbono.

Alegou-se que o "ácido α-carbônico" sólido era gerado por uma reação criogênica de bicarbonato de potássio e uma solução de HCl em metanol . Essa alegação foi contestada em uma tese de doutorado apresentada em janeiro de 2014. Em vez disso, os experimentos de rotulagem de isótopos apontam para o envolvimento do éster monometílico do ácido carbônico (CAME). Além disso, sugeriu-se que o sólido sublimado continha monômeros e dímeros CAME, não monômeros e dímeros de H 2 CO 3, como reivindicado anteriormente. Os espectros infravermelhos de isolamento de matriz subsequentes confirmaram que CAME, em vez de ácido carbônico, é encontrado na fase gasosa acima do "ácido α-carbônico". A designação como CAME é ainda corroborada pelo isolamento da matriz da substância preparada em fase gasosa por pirólise.

Apesar de sua história complicada, o ácido carbônico ainda pode aparecer como polimorfos distintos . O ácido carbônico se forma na oxidação do CO com radicais OH. Não está claro se o ácido carbônico preparado dessa maneira precisa ser considerado γ-H 2 CO 3 . As estruturas de β-H 2 CO 3 e γ-H 2 CO 3 não foram caracterizadas cristalograficamente.

Em alta pressão

Embora as moléculas de H 2 CO 3 não constituam uma porção significativa do carbono dissolvido em "ácido carbônico" aquoso sob condições ambientais, quantidades significativas de H 2 CO 3 molecular podem existir em soluções aquosas submetidas a pressões de múltiplos gigapascais (dezenas de milhares de atmosferas), como pode ocorrer em interiores planetários.

O ácido carbônico deve ser estabilizado sob pressões de 0,6-1,6  GPa a 100  K e 0,75-1,75 GPa a 300 K. Essas pressões são obtidas nos núcleos de grandes satélites gelados, como Ganimedes , Calisto e Titã , onde água e dióxido de carbono estão presentes. O ácido carbônico puro, sendo mais denso, afundaria sob as camadas de gelo e as separaria dos núcleos rochosos dessas luas.

Referências

Leitura adicional

links externos