- Estrutura
- Molécula
- Interações moleculares
- Ácido carbônico puro
- Propriedades
- Síntese
- Dissolução
- Equilíbrio líquido-vapor
- Sólido puro
- Formulários
- Riscos
- Referências
O ácido carbônico é um composto inorgânico, embora algum debate seja realmente orgânico, a fórmula química H 2 CO 3. É, portanto, um ácido diprótico, capaz de doar dois íons H + ao meio aquoso para gerar dois cátions moleculares H 3 O +. Dele surgem os bem conhecidos íons bicarbonato (HCO 3 -) e carbonato (CO 3 2-).
Este ácido peculiar, simples, mas ao mesmo tempo envolvido em sistemas onde numerosas espécies participam de um equilíbrio líquido-vapor, é formado por duas moléculas inorgânicas fundamentais: água e dióxido de carbono. A presença de CO 2 não dissolvido é observada sempre que há um borbulhar na água, subindo em direção à superfície.
Copo com água gaseificada, uma das bebidas mais comuns que contém ácido carbônico. Fonte: Pxhere.
Este fenômeno é visto muito regularmente em bebidas carbonatadas e água carbonatada.
No caso da água gaseificada ou carbonatada (imagem superior), tal quantidade de CO 2 foi dissolvida que sua pressão de vapor é mais que o dobro da pressão atmosférica. Ao destampá-lo, a diferença de pressão dentro e fora da garrafa diminui a solubilidade do CO 2, por isso aparecem bolhas que acabam escapando do líquido.
Em menor grau, o mesmo acontece em qualquer corpo de água doce ou salgada: quando aquecidos, liberam seu conteúdo de CO 2 dissolvido.
No entanto, o CO 2 não é apenas dissolvido, mas sofre transformações em sua molécula que o transformam em H 2 CO 3; um ácido que tem muito pouco tempo de vida, mas o suficiente para marcar uma mudança mensurável no pH de seu meio solvente aquoso e também gerar um sistema tampão de carbonato único.
Estrutura
Molécula
Molécula de ácido carbônico representada por um modelo de esferas e barras. Fonte: Jynto e Ben Mills via Wikipedia.
Acima temos a molécula de H 2 CO 3, representada por esferas e barras. As esferas vermelhas correspondem aos átomos de oxigênio, as pretas aos átomos de carbono e as brancas aos átomos de hidrogênio.
Observe que a partir da imagem você pode escrever outra fórmula válida para este ácido: CO (OH) 2, onde CO se torna o grupo carbonila, C = O, ligado a dois grupos hidroxila, OH. Como existem dois grupos OH, capazes de doar seus átomos de hidrogênio, agora se sabe de onde vêm os íons H + liberados para o meio ambiente.
Estrutura molecular do ácido carbônico.
Observe também que a fórmula CO (OH) 2 pode ser escrita como OHCOOH; quer dizer, do tipo RCOOH, onde R é neste caso um grupo OH.
É por esse motivo, além do fato de a molécula ser composta de átomos de oxigênio, hidrogênio e carbono, comuns na química orgânica, que o ácido carbônico é considerado por alguns um composto orgânico. No entanto, na seção sobre sua síntese será explicado porque outros o consideram de natureza inorgânica e não orgânica.
Interações moleculares
Da molécula H 2 CO 3 pode-se comentar que sua geometria é o plano trigonal, com o carbono localizado no centro do triângulo. Em dois de seus vértices, possui grupos OH, que são doadores de ligações de hidrogênio; e no outro restante, um átomo de oxigênio do grupo C = O, aceitador de ligações de hidrogênio.
Assim, o H 2 CO 3 tem uma forte tendência a interagir com solventes próticos ou oxigenados (e nitrogenados).
E, coincidentemente, a água atende a essas duas características, e a afinidade do H 2 CO 3 por ela é tal que quase imediatamente ela desiste de um H + e começa a se estabelecer um equilíbrio de hidrólise que envolve as espécies HCO 3 - e H 3 O +.
É por isso que a mera presença de água decompõe o ácido carbônico e torna muito difícil isolá-lo como um composto puro.
Ácido carbônico puro
Voltando à molécula de H 2 CO 3, ela não só é plana, capaz de estabelecer ligações de hidrogênio, mas também pode apresentar isomeria cis-trans; Ou seja, na imagem temos o isômero cis, com os dois H's apontando na mesma direção, enquanto no isômero trans eles apontariam em direções opostas.
O isômero cis é o mais estável dos dois, por isso é o único normalmente representado.
Um sólido puro de H 2 CO 3 consiste em uma estrutura cristalina composta de camadas ou folhas de moléculas interagindo com ligações de hidrogênio laterais. Isso era de se esperar, a molécula de H 2 CO 3 sendo plana e triangular. Quando ele sublima, aparecem os dímeros cíclicos (H 2 CO 3) 2, que são unidos por duas ligações de hidrogênio C = O-OH.
A simetria dos cristais de H 2 CO 3 não foi definida no momento. Foi considerado cristalizar como dois polimorfos: α-H 2 CO 3 e β-H 2 CO 3. No entanto, α-H 2 CO 3, sintetizado a partir de uma mistura de CH 3 COOH-CO 2, mostrou ser na verdade CH 3 OCOOH: um éster monometílico de ácido carbônico.
Propriedades
Foi mencionado que o H 2 CO 3 é um ácido diprótico, por isso pode doar dois íons H + a um meio que os aceite. Quando este meio é água, as equações de sua dissociação ou hidrólise são:
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 - é o ânion bicarbonato ou hidrogenocarbonato, e CO 3 2 - é o ânion carbonato. Suas respectivas constantes de equilíbrio, Ka 1 e Ka 2, também são indicadas. Como Ka 2 é cinco milhões de vezes menor que Ka 1, a formação e concentração de CO 3 2- são desprezíveis.
Assim, embora seja um ácido diprótico, o segundo H + mal consegue liberá-lo de forma apreciável. Porém, a presença de CO 2 dissolvido em grandes quantidades é suficiente para acidificar o meio; neste caso, água, baixando seus valores de pH (abaixo de 7).
Falar de ácido carbônico é referir-se praticamente a uma solução aquosa onde predominam as espécies HCO 3 - e H 3 O +; não pode ser isolado por métodos convencionais, pois a menor tentativa mudaria o equilíbrio da solubilidade do CO 2 para a formação de bolhas que escapariam da água.
Síntese
Dissolução
O ácido carbônico é um dos compostos mais fáceis de sintetizar. Quão? O método mais simples é borbulhar, com a ajuda de um canudo ou canudo, o ar que exalamos em um volume de água. Como basicamente expiramos CO 2, ele borbulha na água, dissolvendo uma pequena fração dele.
Quando fazemos isso, ocorre a seguinte reação:
CO 2 (g) + H 2 O (l) <=> H 2 CO 3 (aq)
Mas, por sua vez, a solubilidade de CO 2 em água deve ser considerada:
CO 2 (g) <=> CO 2 (aq)
Tanto o CO 2 quanto a H 2 O são moléculas inorgânicas, então o H 2 CO 3 é inorgânico desse ponto de vista.
Equilíbrio líquido-vapor
Como resultado, temos um sistema de equilíbrio que é altamente dependente das pressões parciais de CO 2, bem como da temperatura do líquido.
Por exemplo, se a pressão do CO 2 aumentar (no caso de soprarmos o ar com mais força pelo canudo), mais H 2 CO 3 se formará e o pH ficará mais ácido; desde então, o primeiro equilíbrio muda para a direita.
Por outro lado, se aquecermos a solução de H 2 CO 3, a solubilidade do CO 2 na água diminuirá porque é um gás, e o equilíbrio mudará para a esquerda (haverá menos H 2 CO 3). Será semelhante se tentarmos aplicar um vácuo: o CO 2 escapará assim como as moléculas de água, o que mudaria o equilíbrio novamente para a esquerda.
Sólido puro
O que foi dito acima nos permite chegar a uma conclusão: a partir de uma solução de H 2 CO 3 não há como sintetizar este ácido como um sólido puro por um método convencional. Porém, isso vem sendo feito, desde a década de 90 do século passado, a partir de misturas sólidas de CO 2 e H 2 O.
Essa mistura de 50% de CO 2 -H 2 O sólido é bombardeada com prótons (um tipo de radiação cósmica), de forma que nenhum dos componentes escapará e ocorrerá a formação de H 2 CO 3. Para este propósito, uma mistura de CH 3 OH-CO 2 também tem sido usada (lembre-se de α-H 2 CO 3).
Outro método é fazer o mesmo, mas usando gelo seco diretamente, nada mais.
Dos três métodos, os cientistas da NASA conseguiram chegar a uma conclusão: ácido carbônico puro, sólido ou gasoso, pode existir nos satélites gelados de Júpiter, nas geleiras marcianas e nos cometas, onde essas misturas sólidas são constantemente irradiadas. por raios cósmicos.
Formulários
O ácido carbônico por si só é um composto inútil. A partir de suas soluções, entretanto, soluções tampão baseadas nos pares HCO 3 - / CO 3 2- ou H 2 CO 3 / HCO 3 - podem ser preparadas.
Graças a essas soluções e à ação da enzima anidrase carbônica, presente nas hemácias, o CO 2 produzido na respiração pode ser transportado do sangue para os pulmões, onde finalmente é liberado para ser exalado para fora do corpo.
O borbulhar de CO 2 é utilizado para dar aos refrigerantes a sensação agradável e característica que deixam na garganta ao tomá-los.
Da mesma forma, a presença de H 2 CO 3 tem importância geológica na formação das estalactites calcárias, pois vai dissolvendo-as lentamente até produzirem seus acabamentos pontiagudos.
E por outro lado, suas soluções podem ser usadas para preparar alguns bicarbonatos metálicos; embora para isso seja mais lucrativo e fácil usar diretamente um sal de bicarbonato (NaHCO 3, por exemplo).
Riscos
O ácido carbônico tem uma vida útil tão desprezível em condições normais (eles estimam em torno de 300 nanossegundos) que é praticamente inofensivo para o meio ambiente e os seres vivos. No entanto, como já foi dito, isso não significa que não possa gerar uma alteração preocupante do pH da água do oceano, afetando a fauna marinha.
Por outro lado, o verdadeiro “risco” está na ingestão de água gaseificada, já que a quantidade de CO 2 dissolvida nelas é muito maior do que na água normal. No entanto, e novamente, não há estudos que demonstrem que beber água com gás representa um risco fatal; se eles ainda recomendam jejuar e combater a indigestão.
O único efeito negativo observado em quem bebe essa água é a sensação de saciedade, pois seus estômagos se enchem de gases. Fora isso (sem falar nos refrigerantes, já que são compostos por muito mais do que apenas ácido carbônico), pode-se dizer que esse composto não é tóxico.
Referências
- Day, R., & Underwood, A. (1989). Quantitative Analytical Chemistry (quinta ed.). PEARSON Prentice Hall.
- Shiver & Atkins. (2008). Química Inorgânica. (Quarta edição). Mc Graw Hill.
- Wikipedia. (2019). Ácido carbónico. Recuperado de: en.wikipedia.org
- Danielle Reid. (2019). Ácido carbônico: Vídeo de formação, estrutura e equação química. Estude. Recuperado de: study.com
- Götz Bucher e Wolfram Sander. (2014). Esclarecendo a estrutura do ácido carbônico. Vol. 346, Issue 6209, pp. 544-545. DOI: 10.1126 / science.1260117
- Lynn Yarris. (22 de outubro de 2014). Novos conhecimentos sobre o ácido carbônico na água. Berkeley Lab. Recuperado de: newscenter.lbl.gov
- Claudia Hammond. (2015, 14 de setembro). Água com gás é realmente ruim para você? Recuperado de: bbc.com
- Jurgen Bernard. (2014). Ácido carbônico sólido e gasoso. Instituto de Físico-Química. Universidade de Innsbruck.