- Uzbūve
- Molekula
- Molekulārā mijiedarbība
- Tīra ogļskābe
- Īpašības
- Sintēze
- Izšķīdināšana
- Šķidruma-tvaika līdzsvars
- Tīri ciets
- Lietojumprogrammas
- Riski
- Atsauces
Ogļskābe ir neorganisks savienojums, kaut arī daži debates faktiski ir organisks, ķīmiskā formula H 2 CO 3 . Tāpēc tā ir diprotiskā skābe, kas spēj ziedot divus H + jonus ūdens vidē, lai iegūtu divus molekulārus katjonus H 3 O + . No tā izriet labi zināmie bikarbonāta (HCO 3 - ) un karbonāta (CO 3 2- ) joni .
Šī savdabīgā skābe, vienkārša, bet tajā pašā laikā iesaistīta sistēmās, kur daudzas sugas piedalās šķidruma-tvaika līdzsvarā, veidojas no divām pamata neorganiskām molekulām: ūdens un oglekļa dioksīda. Neizšķīduša CO 2 klātbūtne tiek novērota ikreiz, kad ūdenī ir burbuļošana, kas paceļas pret virsmu.
Stikls ar gāzētu ūdeni, viens no visizplatītākajiem dzērieniem, kas satur ogļskābi. Avots: Pxhere.
Šo parādību ļoti regulāri novēro gāzētos dzērienos un gāzētā ūdenī.
Gāzēta vai gāzēta ūdens gadījumā (augšējais attēls) ir izšķīdis tāds CO 2 daudzums, ka tā tvaika spiediens ir vairāk nekā divas reizes lielāks nekā atmosfēras spiediens. To neapsaiņojot, spiediena starpība pudeles iekšpusē un ārpusē samazina CO 2 šķīdību, tāpēc parādās burbuļi, kas nonāk no šķidruma.
Mazākā mērā tas pats notiek jebkurā saldūdens vai sālsūdens ķermenī: karsējot tie atbrīvos izšķīdušo CO 2 saturu .
Tomēr CO 2 ne tikai izšķīst, bet arī savā molekulā pārveidojas, pārvēršot to H 2 CO 3 ; skābe, kurai ir pārāk mazs dzīves laiks, bet pietiekami, lai atzīmētu izmērāmās izmaiņas tās ūdens šķīdinātāja vidē pH, kā arī radītu unikālu karbonātu buferšķīduma sistēmu.
Uzbūve
Molekula
Ogļskābes molekula, ko attēlo sfērisko un stieņu modelis. Avots: Jynto un Ben Mills caur Wikipedia.
Virs mums ir H 2 CO 3 molekula , ko attēlo lodes un joslas. Sarkanās sfēras atbilst skābekļa atomiem, melnās - oglekļa atomam un baltas - ūdeņraža atomiem.
Ņemiet vērā, ka, sākot no attēla, jūs varat uzrakstīt citu derīgu šīs skābes formulu: CO (OH) 2 , kur CO kļūst par karbonilgrupu, C = O, kas savienota ar divām hidroksilgrupām, OH. Tā kā ir divas OH grupas, kas spēj ziedot savus ūdeņraža atomus, tagad ir saprotams, no kurienes nāk vidē izdalītie H + joni .
Ogļskābes molekulārā struktūra.
Ņemiet vērā arī to, ka formulu CO (OH) 2 var uzrakstīt kā OHCOOH; tas ir, RCOOH tipa, kur R šajā gadījumā ir OH grupa.
Šī iemesla dēļ papildus faktam, ka molekulu veido skābeklis, ūdeņradis un oglekļa atomi, kas pārāk bieži ir sastopami organiskajā ķīmijā, ogļskābi daži uzskata par organisku savienojumu. Tomēr tās sintēzes sadaļā tiks izskaidrots, kāpēc citi to uzskata par neorganisku un neorganisku raksturu.
Molekulārā mijiedarbība
No molekulas H 2 CO 3 var komentēt, ka tās ģeometrija ir trigonāla plakne ar oglekli trīsstūra centrā. Divās virsotnēs tai ir OH grupas, kas ir ūdeņraža saites donori; un otrā atlikušajā C = O grupas skābekļa atomā, ūdeņraža saišu akceptorā.
Tādējādi H 2 CO 3 ir izteikta tendence mijiedarboties ar protiskajiem vai skābekļa saturošajiem (un slāpekļa saturošajiem) šķīdinātājiem.
Un nejauši ūdens atbilst šīm divām īpašībām, un H 2 CO 3 afinitāte pret to ir tāda, ka gandrīz uzreiz tas atsakās no H + un sāk veidoties hidrolīzes līdzsvars, kurā iesaistītas HCO 3 - un H 3 O sugas. + .
Tieši tāpēc tikai ūdens klātbūtne sadala ogļskābi un padara to pārāk grūti izolētu kā tīru savienojumu.
Tīra ogļskābe
Atgriežoties pie H 2 CO 3 molekulas , tā ir ne tikai plakana, kas spēj izveidot ūdeņraža saites, bet arī var radīt cis-trans izomēriju; Tas ir, attēlā mums ir cis izomērs ar abiem H norādītiem vienā virzienā, savukārt trans-izomērā tie ir vērsti pretējos virzienos.
Cis izomērs ir stabilāks no diviem, un tāpēc tas ir vienīgais, kas parasti tiek attēlots.
Tīrs ciets H 2 CO 3 sastāv no kristālisko struktūru, kas sastāv no slāņiem vai loksnēm molekulu mijiedarbojas ar sānu ūdeņraža saitēm. Tas ir sagaidāms, ka H 2 CO 3 molekula būtni plakana un trīsstūrveida. Kad tas sublimējas, parādās cikliskie dimēri (H 2 CO 3 ) 2 , kurus savieno divas ūdeņraža saites C = O-OH.
No H simetrija 2 CO 3 kristāli nav definēts uz brīdi. Tika uzskatīts, ka tā izkristalizējas kā divi polimorfi: α-H 2 CO 3 un β-H 2 CO 3 . Tomēr tika pierādīts , ka α-H 2 CO 3 , sintezēts no CH 3 COOH-CO 2 maisījuma, faktiski ir CH 3 OCOOH: ogļskābes monometilesteris.
Īpašības
Tika minēts, ka H 2 CO 3 ir diprotiskā skābe, tāpēc tā var ziedot divus H + jonus barotnei, kas tos pieņem. Ja šī barotne ir ūdens, tās disociācijas vai hidrolīzes vienādojumi ir šādi:
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 - ir bikarbonāta vai ūdeņraža karbonāta anjons, un CO 3 2 - karbonāta anjons. Norādītas arī to attiecīgās līdzsvara konstantes Ka 1 un Ka 2 . Tā kā Ka 2 ir piecus miljonus reižu mazāks nekā Ka 1 , CO 3 2 veidošanās un koncentrācija ir niecīga.
Tādējādi, pat ja tā ir diprotiskā skābe, otrais H + diez vai var to ievērojami atbrīvot. Tomēr, lai paskābinātu barotni, pietiek ar izšķīduša CO 2 klātbūtni lielos daudzumos; šajā gadījumā ūdens, pazeminot tā pH vērtības (zem 7).
Runājot par ogļskābi, praktiski jāattiecas uz ūdens šķīdumu, kurā dominē sugas HCO 3 - un H 3 O + ; to nevar izolēt ar parastajām metodēm, jo mazākais mēģinājums mainītu CO 2 šķīdības līdzsvaru uz burbuļu veidošanos, kas izkļūtu no ūdens.
Sintēze
Izšķīdināšana
Ogļskābe ir viens no vienkāršākajiem sintezējamajiem savienojumiem. Kā? Vienkāršākā metode ir burbuļošana ar salmu vai salmu palīdzību gaisu, ko mēs izelpojam ūdens daudzumā. Tā kā mēs būtībā izelpojam CO 2 , tas burbuļosies ūdenī, izšķīdinot nelielu tā daļu.
Kad mēs to darām, notiek šāda reakcija:
CO 2 (g) + H 2 O (l) <=> H 2 CO 3 (aq)
Bet, savukārt, jāņem vērā CO 2 šķīdība ūdenī :
CO 2 (g) <=> CO 2 (aq)
Gan CO 2 un H 2 O ir neorganiskie molekulas, tā H 2 CO 3 ir neorganiska no šī viedokļa.
Šķidruma-tvaika līdzsvars
Rezultātā mums ir līdzsvara stāvoklī esoša sistēma, kas lielā mērā ir atkarīga no CO 2 daļējiem spiedieniem , kā arī no šķidruma temperatūras.
Piemēram, ja palielinās CO 2 spiediens (gadījumā, ja mēs spēcīgāk izpūšam gaisu caur salmiem), veidosies vairāk H 2 CO 3 un pH kļūs skābāks; tā kā pirmais līdzsvars mainās pa labi.
No otras puses, ja mēs sildīsim H 2 CO 3 šķīdumu , CO 2 šķīdība ūdenī samazināsies, jo tā ir gāze, un līdzsvars pēc tam mainīsies pa kreisi (būs mazāk H 2 CO 3 ). Tas būs līdzīgi, ja mēģināsim pielietot vakuumu: izplūdīs CO 2 , kā arī ūdens molekulas, kas līdzsvaru atkal nobīdīs pa kreisi.
Tīri ciets
Iepriekš minētais ļauj mums izdarīt secinājumu: no H 2 CO 3 šķīduma nav iespējams sintezēt šo skābi kā tīru cietvielu ar parasto metodi. Tomēr tas ir darīts kopš pagājušā gadsimta 90. gadiem, sākot no cietajiem CO 2 un H 2 O maisījumiem.
Šīs cietās daļiņas maisījums no 50% CO 2 H 2 O ir bombardē ar protonu (tipa kosmiskā starojuma), tā, ka neviena no diviem komponentiem būs izvairīties un veidošanās H 2 CO 3 notiek . Šim nolūkam ir CH 3 OH-CO 2 maisījums ir izmantots arī (atcerēties α-H 2 CO 3 ).
Vēl viena metode ir darīt to pašu, bet tieši izmantojot sausu ledu, nekas vairāk.
No trim metodēm NASA zinātnieki spēja nonākt pie viena secinājuma: tīra, cieta vai gāzveida ogļskābe var pastāvēt Jupitera ledainajos satelītos, Marsa ledājos un kometās, kur šādus cietos maisījumus pastāvīgi apstaro. ar kosmisko staru palīdzību.
Lietojumprogrammas
Ogļskābe pati par sevi ir bezjēdzīgs savienojums. No to risinājumiem, tomēr, bufera risinājumus, pamatojoties uz pāriem HCO 3 - / CO 3 2- vai H 2 CO 3 / HCO 3 - var pagatavot .
Pateicoties šiem šķīdumiem un ogļskābes anhidrāzes fermenta, kas atrodas sarkanās asins šūnās, darbībai, elpošanā iegūto CO 2 var pārvadāt asinīs plaušās, kur tas beidzot tiek atbrīvots, lai izelpotu ārpus mūsu ķermeņa.
CO 2 burbuļošana tiek izmantota, lai bezalkoholiskajiem dzērieniem radītu patīkamu un raksturīgu sajūtu, ko tie dzerot atstāj kaklā.
Tāpat H 2 CO 3 klātbūtnei ir ģeoloģiska nozīme kaļķakmens stalaktītu veidošanā, jo tas lēnām tos izšķīdina, līdz tie iegūst smailo virsmu.
Un, no otras puses, tā šķīdumus var izmantot dažu metālisku bikarbonātu sagatavošanai; lai gan šim nolūkam ir izdevīgāk un vieglāk tieši izmantot bikarbonāta sāli (piemēram, NaHCO 3 ).
Riski
Ogļskābes dzīves laiks normālos apstākļos ir tik nenozīmīgs (pēc aptuveni 300 nanosekundēm), ka tā ir praktiski nekaitīga videi un dzīvām būtnēm. Tomēr, kā jau minēts iepriekš, tas nenozīmē, ka tas nevar radīt satraucošas izmaiņas okeāna ūdens pH, kas ietekmē jūras faunu.
No otras puses, reālais "risks" ir saistīts ar gāzēta ūdens uzņemšanu, jo tajos izšķīdušā CO 2 daudzums ir daudz lielāks nekā parastajā ūdenī. Tomēr, un atkal, nav pētījumu, kas parādītu, ka gāzēta ūdens dzeršana rada letālu risku; ja viņi pat to iesaka, lai pasliktinātu un apkarotu gremošanas traucējumus.
Vienīgā negatīvā ietekme, kas novērota tiem, kas dzer šo ūdeni, ir pilnības sajūta, jo viņu kuņģi piepildās ar gāzēm. Ārpus tā (nemaz nerunājot par sodu, jo tie sastāv no daudz vairāk nekā tikai ogļskābes), var teikt, ka šis savienojums nepavisam nav toksisks.
Atsauces
- Day, R., & Underwood, A. (1989). Kvantitatīvā analītiskā ķīmija (piektais izdevums). PEARSON Prentice zāle.
- Šiveris un Atkins. (2008). Neorganiskā ķīmija. (Ceturtais izdevums). Mc Graw Hill.
- Wikipedia. (2019. gads). Ogļskābe. Atgūts no: en.wikipedia.org
- Danielle Reid. (2019. gads). Ogļskābe: veidošanās, struktūra un ķīmisko vienādojumu video. Pētījums. Atgūts no: study.com
- Götz Bucher un Wolfram Sander. (2014). Ogļskābes struktūras precizēšana. 346. sējums, izdevums 6209, lpp. 544-545. DOI: 10.1126 / science.1260117
- Lynn Yarris. (2014. gada 22. oktobris). Jaunas atziņas par ogļskābi ūdenī. Berkeley Lab. Atgūts no: newscenter.lbl.gov
- Klaudija Hammonda. (2015. gads, 14. septembris). Vai dzirkstošais ūdens jums tiešām ir slikts? Atgūts no: bbc.com
- Jurgens Bernards. (2014). Cietā un gāzveida ogļskābe. Fizikālās ķīmijas institūts. Insbrukas Universitāte.