Ácido carbónico - Carbonic acid
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| Nombres | |||
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Nombre IUPAC
Ácido carbónico
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| Otros nombres
Ácido hidroxifórmico Ácido
hidroximetanoico Dihidroxicarbonilo |
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| Identificadores | |||
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Modelo 3D ( JSmol )
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| CHEBI | |||
| CHEMBL | |||
| ChemSpider | |||
| DrugBank | |||
| Tarjeta de información ECHA |
100.133.015 
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| Número CE | |||
| 25554 | |||
| KEGG | |||
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PubChem CID
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Tablero CompTox ( EPA )
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| Propiedades | |||
| H 2 CO 3 | |||
| Punto de fusion | −80 ° C (−112 ° F; 193 K) (se descompone) | ||
| Base conjugada | Bicarbonato , Carbonato | ||
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Salvo que se indique lo contrario, los datos se proporcionan para materiales en su estado estándar (a 25 ° C [77 ° F], 100 kPa). |
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 verificar ( ¿qué es ?)
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| Referencias de Infobox | |||
En química, el ácido carbónico es un ácido dibásico con la fórmula química H 2 CO 3. El compuesto puro se descompone a temperaturas superiores a aprox. -80 ° C.
En bioquímica, el nombre "ácido carbónico" se aplica a menudo a soluciones acuosas de dióxido de carbono , que desempeñan un papel importante en el sistema tampón de bicarbonato , utilizado para mantener la homeostasis ácido-base .
Equilibrios químicos
Valores constantes de equilibrio
En solución acuosa, el ácido carbónico se comporta como un ácido dibásico. El gráfico de Bjerrum muestra concentraciones de equilibrio típicas, en solución, en agua de mar , de dióxido de carbono y las diversas especies derivadas de él, en función del pH. La acidificación de las aguas naturales es causada por la creciente concentración de dióxido de carbono en la atmósfera, que es causada por la quema de cantidades crecientes de carbón e hidrocarburos .
El cambio esperado se refiere al efecto previsto de la acidificación continua de los océanos . Se ha estimado que el aumento del dióxido de carbono disuelto ha provocado que el pH superficial promedio del océano disminuya en aproximadamente 0,1 desde los niveles preindustriales.
La base de datos de constantes de estabilidad contiene 136 entradas con valores para las constantes de protonación generales , β 1 y β 2 , del ion carbonato. En las siguientes expresiones [H + ] representa la concentración, en equilibrio, de la especie química H + , etc.
El valor de log ß 1 disminuye al aumentar la fuerza iónica , . A 25 ° C:
- :
- (datos seleccionados de la base de datos SC)
![{\ Displaystyle \ beta _ {1} = {\ frac {[{\ text {HCO}} _ {3} ^ {-}]} {[{\ text {H}} ^ {+}] [{\ text {CO}} _ {3} ^ {2-}]}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/170497229ff9169a1bf46ef141b7f8f0e4156143)
El valor de log β 2 también disminuye al aumentar la fuerza iónica.
- :
![{\ Displaystyle \ beta _ {2} = {\ frac {[{\ text {H}} _ {2} {\ text {CO}} _ {3}]} {[{\ text {H}} ^ { +}] ^ {2} [{\ text {CO}} _ {3} ^ {2-}]}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/b8c36da403b35d01cd677b5d8be799b358f2736a)
A = 0 y 25 ° C, los valores de pK de las constantes de disociación escalonadas son
- pK 1 = logβ 2 - logβ 1 = 6,77.
- pK 2 = logβ 1 = 9,93.
Cuando pH = pK, las dos especies químicas en equilibrio tienen la misma concentración.
Nota 1 : Aparentemente, existen valores contradictorios en la literatura para pK a . Pines y col. cite un valor para "pK app " de 6,35, coherente con el valor 6,77 mencionado anteriormente. También dan un valor para "pK a " de 3.49 y establecen que
- pK a = pK aplicación - log K D (ecuación 5)
donde K D = [CO 2 ] / [H 2 CO 3 ]. (ec. 3) La situación surge de la forma en que se nombran y definen las constantes de disociación, lo cual está claramente establecido en el texto del artículo de Pines, pero no en abstracto.
Nota 2 : La numeración de las constantes de disociación es la inversa de la numeración de las constantes de asociación , por lo que pK 2 (disociación) = log β 1 (asociación). El valor de la constante escalonada para el equilibrio
es dado por
- pK 1 (disociación) 1 = log β 2 - log β 1 (asociación)
En soluciones no biológicas
La constante de equilibrio de hidratación a 25 ° C se llama K h , que en el caso del ácido carbónico es [H 2 CO 3 ] / [CO 2 ] ≈ 1.7 × 10 −3 en agua pura y ≈ 1.2 × 10 −3 en agua de mar . Por tanto, la mayor parte del dióxido de carbono no se convierte en ácido carbónico, quedando como moléculas de CO 2 . En ausencia de un catalizador , el equilibrio se alcanza con bastante lentitud. Las constantes de velocidad son 0.039 s −1 para la reacción directa y 23 s −1 para la reacción inversa.
En la naturaleza, la piedra caliza puede reaccionar con el agua de lluvia , formando una solución de bicarbonato de calcio ; la evaporación de tal solución dará como resultado la nueva formación de carbonato cálcico sólido. Estos procesos ocurren en la formación de estalactitas y estalagmitas .
En soluciones biológicas
Cuando la enzima anhidrasa carbónica también está presente en la solución, la siguiente reacción tiene prioridad.
Cuando la cantidad de dióxido de carbono creado por la reacción directa excede su solubilidad, se genera gas y se produce un tercer equilibrio.
también debe tenerse en cuenta. La constante de equilibrio para esta reacción está definida por la ley de Henry . Las dos reacciones se pueden combinar para el equilibrio en solución.
- :
![{\ Displaystyle {\ ce {K_3 = {\ frac {[H ^ +] [HCO_3 ^ {-}]} {[CO_2 (soln)]}}}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/728be989d8b5ded1f0cf378c3ebe5f6532b00c8f)
Cuando se usa la ley de Henry para calcular el valor del término en el denominador , es necesario tener cuidado con respecto a la dimensionalidad.
En fisiología , el dióxido de carbono excretado por los pulmones puede denominarse ácido volátil o ácido respiratorio .
Uso del término ácido carbónico
Estrictamente hablando, el término "ácido carbónico" se refiere al compuesto químico con la fórmula .
Dado que pK a1 tiene un valor de ca. 6.8, en el equilibrio, el ácido carbónico estará casi 50% disociado en el líquido extracelular ( citosol ) que tiene un pH de aproximadamente 7.2. Tenga en cuenta que el dióxido de carbono disuelto en el líquido extracelular a menudo se denomina "ácido carbónico" en la literatura bioquímica, por razones históricas. La reacción en la que se produce
- HCO 3 - + H + ⇌ CO 2 + H 2 O
es rápido en sistemas biológicos. El dióxido de carbono se puede describir como el anhídrido del ácido carbónico.
Ácido carbónico puro
El ácido carbónico, H 2 CO 3 , es estable a temperatura ambiente en condiciones estrictamente anhidras . Se descompone para formar dióxido de carbono en presencia de moléculas de agua.
El ácido carbónico se forma como un subproducto de la irradiación de CO 2 / H 2 O, además de monóxido de carbono y especies de radicales (HCO y CO 3 ). Otra ruta para formar ácido carbónico es la protonación de bicarbonatos (HCO 3 - ) con HCl o HBr acuoso. Esto debe hacerse en condiciones criogénicas para evitar la descomposición inmediata de H 2 CO 3 en CO 2 y H 2 O. Se forma H 2 CO 3 amorfo por encima de 120 K, y la cristalización tiene lugar por encima de 200 K para dar "β-H 2 CO 3 ", según lo determinado por espectroscopia de infrarrojos . El espectro de β-H 2 CO 3 concuerda muy bien con el subproducto después de la irradiación con CO 2 / H 2 O. El β-H 2 CO 3 se sublima a 230–260 K en gran parte sin descomposición. La espectroscopia infrarroja de aislamiento de matriz permite el registro de moléculas individuales de H 2 CO 3 .
El hecho de que el ácido carbónico pueda formarse irradiando una mezcla sólida de H 2 O + CO 2 o incluso mediante la implantación de protones de hielo seco solo ha dado lugar a sugerencias de que el H 2 CO 3 podría encontrarse en el espacio exterior o en Marte , donde se encuentran helados de H 2 O y CO 2 , así como rayos cósmicos . La sorprendente estabilidad del H 2 CO 3 sublimado hasta temperaturas bastante altas de 260 K incluso permite el H 2 CO 3 en fase gaseosa , por ejemplo, por encima de los casquetes polares de Marte. Los cálculos ab initio mostraron que una sola molécula de agua cataliza la descomposición de una molécula de ácido carbónico en fase gaseosa en dióxido de carbono y agua. En ausencia de agua, se predice que la disociación del ácido carbónico gaseoso será muy lenta, con una vida media en la fase gaseosa de 180.000 años a 300 K. Esto solo se aplica si las moléculas son pocas y están muy separadas, porque También se ha predicho que el ácido carbónico en fase gaseosa catalizará su propia descomposición formando dímeros , que luego se rompen en dos moléculas, cada una de agua y dióxido de carbono.
Se afirmó que el "ácido α-carbónico" sólido se generaba mediante una reacción criogénica de bicarbonato de potasio y una solución de HCl en metanol . Esta afirmación fue cuestionada en una tesis doctoral presentada en enero de 2014. En cambio, los experimentos de etiquetado de isótopos apuntan a la participación del éster monometílico del ácido carbónico (CAME). Además, se sugirió que el sólido sublimado contenía monómeros y dímeros de CAME, no monómeros y dímeros de H 2 CO 3 como se afirmó anteriormente. Los espectros infrarrojos de aislamiento de matriz posteriores confirmaron que se encuentra CAME en lugar de ácido carbónico en la fase gaseosa por encima del "ácido α-carbónico". La asignación como CAME se corrobora aún más mediante el aislamiento en matriz de la sustancia preparada en fase gaseosa por pirólisis.
A pesar de su complicada historia, el ácido carbónico todavía puede aparecer como polimorfos distintos . El ácido carbónico se forma tras la oxidación del CO con radicales OH. No está claro si el ácido carbónico preparado de esta manera debe considerarse γ-H 2 CO 3 . Las estructuras de β-H 2 CO 3 y γ-H 2 CO 3 no se han caracterizado cristalográficamente.
A alta presión
Aunque las moléculas de H 2 CO 3 no constituyen una parte significativa del carbono disuelto en el "ácido carbónico" acuoso en condiciones ambientales, pueden existir cantidades significativas de H 2 CO 3 molecular en soluciones acuosas sometidas a presiones de múltiples gigapascales (decenas de miles de atmósferas), como puede ocurrir en los interiores planetarios.
El ácido carbónico debe estabilizarse a presiones de 0,6 a 1,6 GPa a 100 K y de 0,75 a 1,75 GPa a 300 K. Estas presiones se alcanzan en los núcleos de grandes satélites helados como Ganímedes , Calisto y Titán , donde el agua y el dióxido de carbono están presentes. El ácido carbónico puro, al ser más denso, se hundiría debajo de las capas de hielo y las separaría de los núcleos rocosos de estas lunas.
Referencias
Otras lecturas
-
" Clima y ácido carbónico " en Popular Science Monthly Volume 59, julio de 1901 - Welch, MJ; Lifton, JF; Seck, JA (1969). "Estudios de trazadores con oxígeno radiactivo-15. Intercambio entre dióxido de carbono y agua". J. Phys. Chem. 73 (335): 3351. doi : 10.1021 / j100844a033 .
- Jolly, WL (1991). Química Inorgánica Moderna (2ª Ed.) . Nueva York: McGraw-Hill. ISBN 978-0-07-112651-9.
- Moore, MH; Khanna, R. (1991). "Estudios espectrales infrarrojos y de masas de hielo H2O + Co2 irradiado por protones: evidencia de hielo de ácido carbónico: evidencia de ácido carbónico" . Spectrochimica Acta . 47A (2): 255–262. Código Bibliográfico : 1991AcSpA..47..255M . doi : 10.1016 / 0584-8539 (91) 80097-3 .
- W. Hage, KR Liedl; Liedl, E .; Hallbrucker, A; Mayer, E (1998). "Ácido carbónico en fase gaseosa y su relevancia astrofísica". Ciencia . 279 (5355): 1332-1335. Código Bibliográfico : 1998Sci ... 279.1332H . doi : 10.1126 / science.279.5355.1332 . PMID 9478889 .
- Hage, W .; Hallbrucker, A .; Mayer, E. (1995). "Un polimorfo de ácido carbónico y su posible relevancia astrofísica". J. Chem. Soc. Faraday Trans. 91 (17): 2823-2826. Código Bibliográfico : 1995JCSFT..91.2823H . doi : 10.1039 / ft9959102823 .
