El ácido carbónico es un compuesto químico con la fórmula química H 2 C O 3 . La molécula se convierte rápidamente en agua y dióxido de carbono en presencia de agua. Sin embargo, en ausencia de agua, es bastante estable a temperatura ambiente . [5] [6] La interconversión de dióxido de carbono y ácido carbónico está relacionada con el ciclo respiratorio de los animales y la acidificación de las aguas naturales . [4]
En química , el término "ácido carbónico" se refiere estrictamente al compuesto químico de fórmula H 2CO 3. Alguna literatura sobre bioquímica borra la distinción entre ácido carbónico y dióxido de carbono disuelto en líquido extracelular.
En fisiología , el dióxido de carbono excretado por los pulmones puede denominarse ácido volátil o ácido respiratorio .
A bajas temperaturas y presión atmosférica , el ácido carbónico sólido es amorfo y carece de picos de Bragg en la difracción de rayos X. [11] Pero a alta presión, el ácido carbónico cristaliza y la espectroscopia analítica moderna puede medir su geometría.
Según la difracción de neutrones del ácido carbónico dideuterado ( D 2CO 3) en una celda híbrida sujeta (aleación rusa/ cobre-berilio ) a 1,85 GPa, las moléculas son planas y forman dímeros unidos por pares de enlaces de hidrógeno . Los tres enlaces de CO son casi equidistantes a 1,34 Å , intermedio entre las distancias típicas de CO y C=O (respectivamente 1,43 y 1,23 Å). Las longitudes inusuales de los enlaces CO se atribuyen a enlaces π deslocalizados en el centro de la molécula y a enlaces de hidrógeno extraordinariamente fuertes. Los mismos efectos también inducen una separación O—O muy corta (2,13 Å), a través del ángulo OHO de 136° impuesto por los anillos de 8 miembros doblemente unidos por enlaces de hidrógeno. [4] Se observan distancias O—O más largas en fuertes enlaces de hidrógeno intramoleculares, por ejemplo en el ácido oxálico , donde las distancias superan los 2,4 Å. [11]
En solución acuosa
Incluso en una ligera presencia de agua, el ácido carbónico se deshidrata en dióxido de carbono y agua , que luego cataliza una mayor descomposición. [6] Por este motivo, el dióxido de carbono puede considerarse anhídrido del ácido carbónico .
En presencia de la enzima anhidrasa carbónica , el equilibrio se alcanza rápidamente y tiene prioridad la siguiente reacción: [14]
Cuando el dióxido de carbono creado excede su solubilidad, se desprende gas y también se debe tener en cuenta un tercer equilibrio. La constante de equilibrio para esta reacción está definida por la ley de Henry .
Las dos reacciones se pueden combinar para lograr el equilibrio en solución: cuando se utiliza la ley de Henry para calcular el denominador, se necesita cuidado con las unidades, ya que la constante de la ley de Henry se puede expresar comúnmente con 8 dimensionalidades diferentes. [15]
Cantidades significativas de H molecular 2CO 3Existen en soluciones acuosas sometidas a presiones de múltiples gigapascales (decenas de miles de atmósferas) en el interior de los planetas. [16] [17] Se alcanzan presiones de 0,6 a 1,6 GPa a 100 K y de 0,75 a 1,75 GPa a 300 K en los núcleos de grandes satélites helados como Ganímedes , Calisto y Titán , donde hay agua y dióxido de carbono. Se espera que el ácido carbónico puro, al ser más denso, se haya hundido bajo las capas de hielo y las separe de los núcleos rocosos de estas lunas. [18]
Relación con bicarbonato y carbonato
Gráfico de especiación de Bjerrum para un hipotético ácido monoprótico: concentración de AH en función de la diferencia entre p K y p H
El ácido carbónico es el ácido conjugado formal de Brønsted-Lowry del anión bicarbonato , estable en solución alcalina . Las constantes de protonación se han medido con gran precisión, pero dependen de la fuerza iónica general I. Los dos equilibrios que se miden más fácilmente son los siguientes: donde los paréntesis indican la concentración de especie . A 25 °C, estos equilibrios satisfacen empíricamente [19] log( β 1 ) disminuye al aumentar I , al igual que log( β 2 ) . En una solución sin otros iones (por ejemplo, I = 0 ), estas curvas implican las siguientes constantes de disociación gradual : Los valores directos para estas constantes en la literatura incluyen p K 1 = 6,35 y p K 2 - p K 1 = 3,49 . [20]
Para interpretar estos números, observe que dos especies químicas en un equilibrio ácido están equiconcentradas cuando p K = p H . En particular, el líquido extracelular ( citosol ) en los sistemas biológicos exhibe un pH ≈ 7,2 , por lo que el ácido carbónico estará disociado casi en un 50% en el equilibrio.
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 . [8] [9] A medida que la industrialización humana ha aumentado la proporción de dióxido de carbono en la atmósfera terrestre , también se espera que aumente la proporción de dióxido de carbono disuelto en el mar y en el agua dulce como ácido carbónico. También se espera que este aumento de ácido disuelto acidifique esas aguas, generando una disminución del pH. [21] [22] Se ha estimado que el aumento del dióxido de carbono disuelto ya ha provocado que el pH medio de la superficie del océano disminuya en aproximadamente un 0,1 con respecto a los niveles preindustriales.
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Enlaces externos
Equilibrio de ácido carbónico/bicarbonato/carbonato en agua: pH de las soluciones, capacidad tampón, titulación y distribución de especies frente al pH, calculado con una hoja de cálculo gratuita
Cómo calcular la concentración de ácido carbónico en agua.