Ácido carbónico

Compuesto químico

Compuesto químico

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 (contrariamente a la creencia popular) bastante estable a temperatura ambiente. ^{[4] [5]} 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 . ^[3]

En bioquímica y fisiología, el nombre "ácido carbónico" se aplica a veces a soluciones acuosas de dióxido de carbono . Estas especies químicas desempeñan un papel importante en el sistema tampón de bicarbonato , utilizado para mantener la homeostasis ácido-base . ^[6]

Terminología en la literatura bioquímica.

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 .

Ácido carbónico anhidro

A temperatura ambiente, el ácido carbónico puro es un gas estable. ^[5] Hay dos métodos principales para producir ácido carbónico anhidro: la reacción de cloruro de hidrógeno y bicarbonato de potasio a 100 K en metanol y la irradiación con protones de dióxido de carbono sólido puro . ^[2] Químicamente, se comporta como un ácido de Brønsted diprótico . ^{[7] [8]}

Los monómeros de ácido carbónico exhiben tres isómeros conformacionales : cis-cis, cis-trans y trans-trans. ^[9]

A bajas temperaturas y presión atmosférica , el ácido carbónico sólido es amorfo y carece de picos de Bragg en la difracción de rayos X. ^[10] 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. ^[3] 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. ^[10]

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. ^[5] Por este motivo, el dióxido de carbono puede considerarse anhídrido del ácido carbónico .

La constante de equilibrio de hidratación a 25 °C es[ H
₂CO
₃]/[CO ₂ ] ≈ 1,7×10 ⁻³en agua pura ^[11] y ≈ 1,2×10 ⁻³ en agua de mar . ^[12] Por lo tanto, la mayoría del dióxido de carbono en las interfaces geofísicas o biológicas aire-agua no se convierte en ácido carbónico, permaneciendo como gas CO ₂ disuelto . Sin embargo, el equilibrio no catalizado se alcanza con bastante lentitud: las constantes de velocidad son 0,039 s ⁻¹ para la hidratación y 23 s ⁻¹ para la deshidratación.

En soluciones biológicas

En presencia de la enzima anhidrasa carbónica , el equilibrio se alcanza rápidamente y la siguiente reacción tiene prioridad: ^[13]

$${\displaystyle {\ce {HCO3^- {+}H^+ <=> CO2 {+}H2O}}}$$

Cuando el dióxido de carbono creado excede su solubilidad, se desprende gas y se produce un tercer equilibrio.

$${\displaystyle {\ce {CO_2 (soln) <=> CO_2 (g)}}}$$

la ley de Henry

Las dos reacciones se pueden combinar para el equilibrio en solución:

$${\displaystyle {\begin{aligned}{\ce {HCO3^{-}{}+ H+{}<=> CO2(soln){}+ H2O}}&&K_{3}={\frac {[{\ce {H+}}][{\ce {HCO3^-}}]}{[{\ce {CO2(soln)}}]}}\end{aligned}}}$$

se necesita cuidado^[14]

Bajo alta presión parcial de CO 2

En la industria de las bebidas , el agua con gas o "agua con gas" suele denominarse agua carbonatada . Se elabora disolviendo dióxido de carbono bajo una pequeña presión positiva en agua. Muchos refrescos tratados de la misma manera efervescentes .

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. ^{[15] [16]} 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. ^[17]

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:

$${\displaystyle {\begin{aligned}{\ce {CO3^{2-}{}+ H+{}<=> HCO3^-}}&&\beta _{1}={\frac {[{\ce {HCO3^-}}]}{[{\ce {H+}}][{\ce {CO3^{2-}}}]}}\\{\ce {CO3^{2-}{}+ 2H+{}<=> H2CO3}}&&\beta _{2}={\frac {[{\ce {H2CO3}}]}{[{\ce {H+}}]^{2}[{\ce {CO3^{2-}}}]}}\end{aligned}}}$$

concentraciónespecie^[18]

$${\displaystyle {\begin{alignedat}{6}\log(\beta _{1})=&&0&.54&I^{2}-0&.96&I+&&9&.93\\\log(\beta _{2})=&&-2&.5&I^{2}-0&.043&I+&&16&.07\end{alignedat}}}$$

log( β ₁ )Ilog( β ₂ )I = 0constantes de disociación gradual

$${\displaystyle {\begin{alignedat}{3}p{\text{K}}_{1}&=\log(\beta _{2})-\log(\beta _{1})&=6.77\\p{\text{K}}_{2}&=\log(\beta _{1})&=9.93\end{alignedat}}}$$

p K ₁ = 6,35p K ₂ - p K ₁ = 3,49^[19]

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.

Acidificación oceánica

Especiación de carbonatos en agua de mar (fuerza iónica 0,7 mol/dm ³ ). El cambio esperado que se muestra se debe al actual aumento antropogénico en la concentración de dióxido de carbono atmosférico .

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 . ^{[7] [8]} 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. ^{[20] [21]} 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.

Otras lecturas

•  "Clima y ácido carbónico" en Popular Science Monthly Volumen 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. Física. Química. 73 (335): 3351. doi : 10.1021/j100844a033.
• Alegre, WL (1991). Química inorgánica moderna (2ª ed.). McGraw-Hill. ISBN 978-0-07-112651-9.
• Moore, MH; Khanna, R. (1991). "Estudios de espectro de masas e infrarrojos de hielo de H2O + CO2 irradiado con protones: evidencia de hielo de ácido carbónico: evidencia de ácido carbónico". Espectroquímica 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): 1332–5. Código Bib : 1998 Ciencia... 279.1332H. doi : 10.1126/ciencia.279.5355.1332. PMID  9478889.
• Hage, W.; Hallbrucker, A.; Mayer, E. (1995). "Un polimorfo de ácido carbónico y su posible relevancia astrofísica". J. química. Soc. Trans. Faraday. 91 (17): 2823–6. Código bibliográfico : 1995JCSFT..91.2823H. doi :10.1039/ft9959102823.

Referencias

1. "Asunto frontal". Nomenclatura de química orgánica: recomendaciones y nombres preferidos de la IUPAC 2013 (Libro azul) . Cambridge: Real Sociedad de Química . 2014. págs. P001–4. doi :10.1039/9781849733069-FP001. ISBN 978-0-85404-182-4.
2. W. Hage, KR Liedl; Liedl, E.; Hallbrucker, A; Mayer, E (1998). "Ácido carbónico en fase gaseosa y su relevancia astrofísica". Ciencia . 279 (5355): 1332–5. Código Bib : 1998 Ciencia... 279.1332H. doi : 10.1126/ciencia.279.5355.1332. PMID  9478889.
3. Benz, Sebastián; Chen, papá; Möller, Andreas; Hofmann, Michael; Schnieders, David; Dronskowski, Richard (septiembre de 2022). "La estructura cristalina del ácido carbónico". Inorgánicos . 10 (9): 132. doi : 10.3390/inorgánicos10090132 . ISSN  2304-6740.
4. Greenwood, Norman N .; Earnshaw, Alan (1997). Química de los Elementos (2ª ed.). Butterworth-Heinemann . pag. 310.ISBN _ 978-0-08-037941-8.
5. Loerting, Thomas ; Tautermann, Christofer; Kroemer, Romano T.; Kohl, Ingrid; Hallbrucker, Andreas; Mayer, Erwin; Liedl, Klaus R.; Loerting, Thomas; Tautermann, Christofer; Kohl, Ingrid; Hallbrucker, Andreas; Erwin, Mayer; Liedl, Klaus R. (2000). "Sobre la sorprendente estabilidad cinética del ácido carbónico (H ₂ CO ₃ )". Edición internacional Angewandte Chemie . 39 (5): 891–4. doi :10.1002/(SICI)1521-3773(20000303)39:5<891::AID-ANIE891>3.0.CO;2-E. PMID  10760883.
6. Fisiología ácido-base 2.1: equilibrio ácido-base por Kerry Brandis.
7. Pangotra, Dhananjai; Csepei, Lénárd-István; Roth, Arne; Ponce de León, Carlos; Sieber, Volker; Vieira, Luciana (2022). "Producción anódica de peróxido de hidrógeno utilizando materiales de carbono comerciales". Catálisis Aplicada B: Ambiental . 303 : 120848. doi : 10.1016/j.apcatb.2021.120848. S2CID  240250750.
8. Andersen, CB (2002). "Comprensión de los equilibrios de carbonatos midiendo la alcalinidad en sistemas naturales y experimentales". Revista de Educación en Geociencias . 50 (4): 389–403. Código Bib : 2002JGeEd..50..389A. doi :10.5408/1089-9995-50.4.389. S2CID  17094010.
9. Loerting, Thomas; Bernard, Jürgen (2010). "Ácido carbónico acuoso (H ₂ CO ₃ )". ChemPhysChem (11): 2305–9. doi :10.1002/cphc.201000220.
10. Winkel, Katrin; Hage, Wolfgang; Loerting, Thomas; Precio, Sarah L.; Mayer, Erwin (2007). "Ácido carbónico: del poliamorfismo al polimorfismo". Revista de la Sociedad Química Estadounidense . 129 (45): 13863–71. doi :10.1021/ja073594f. PMID  17944463.
11. Housecroft, CE; Sharpe, AG (2005). Química inorgánica (2ª ed.). Prentice-Pearson-Hall. pag. 368.ISBN _ 0-13-039913-2. OCLC  56834315.
12. Soli, AL; RH Byrne (2002). " Cinética de hidratación y deshidratación del sistema de CO _{2 y relación de equilibrio CO 2} / H ₂ CO ₃ en solución acuosa de NaCl". Química Marina . 78 (2–3): 65–73. doi :10.1016/S0304-4203(02)00010-5.
13. Lindskog S (1997). "Estructura y mecanismo de la anhidrasa carbónica". Farmacología y Terapéutica . 74 (1): 1–20. doi :10.1016/S0163-7258(96)00198-2. PMID  9336012.
14. Lijadora, Rolf; Acree, William E.; Visscher, Alex De; Schwartz, Stephen E.; Wallington, Timothy J. (1 de enero de 2022). "Constantes de la ley de Henry (Recomendaciones IUPAC 2021)". Química Pura y Aplicada . 94 (1): 71–85. doi : 10.1515/pac-2020-0302 . ISSN  1365-3075.
15. Wang, Hongbo; Zeuschner, Janek; Eremets, Mikhail; Troyano, Iván; Williams, Jonathon (27 de enero de 2016). "H2CO3 sólido y acuoso estable a partir de CO2 y H2O a alta presión y alta temperatura". Informes científicos . 6 (1): 19902. Código bibliográfico : 2016NatSR...619902W. doi : 10.1038/srep19902 . PMC 4728613 . PMID  26813580. 
16. Stolte, Nore; Pan, Ding (4 de julio de 2019). "Gran presencia de ácido carbónico en fluidos acuosos ricos en CO ₂ en las condiciones del manto terrestre". La Revista de Letras de Química Física . 10 (17): 5135–41. arXiv : 1907.01833 . doi : 10.1021/acs.jpclett.9b01919. PMID  31411889. S2CID  195791860.
17. G. Saleh; AR Oganov (2016). "Nuevos compuestos estables en el sistema ternario de CHO a alta presión". Informes científicos . 6 : 32486. Código Bib : 2016NatSR...632486S. doi :10.1038/srep32486. PMC 5007508 . PMID  27580525. 
18. IUPAC (2006). "Constantes de estabilidad" (base de datos).
19. Pinos, Dina; Ditkovich, Julia; Mukra, Tzach; Miller, Yifat; Kiefer, Philip M.; Daschakraborty, Snehasis; Hynes, James T.; Pinos, Aod (2016). "¿Qué tan ácido es el ácido carbónico?". J Phys Chem B. 120 (9): 2440–51. doi : 10.1021/acs.jpcb.5b12428. PMC 5747581 . PMID  26862781. 
20. Caldeira, K.; Wickett, ME (2003). "Carbón antropogénico y pH del océano". Naturaleza . 425 (6956): 365. Código bibliográfico : 2001AGUFMOS11C0385C. doi : 10.1038/425365a . PMID  14508477. S2CID  4417880.
21. Sabine, CL (2004). "El sumidero oceánico del CO2 antropogénico". Ciencia . 305 (5682): 367–371. Código Bib : 2004 Ciencia... 305.. 367S. doi :10.1126/ciencia.1097403. hdl : 10261/52596 . PMID  15256665. S2CID  5607281. Archivado desde el original el 6 de julio de 2008 . Consultado el 22 de junio de 2021 .

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.