Ácido carbónico

El ácido carbónico es un compuesto químico con la fórmula química H ₂C 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 bioquímica y fisiología, el nombre "ácido carbónico" a veces se aplica 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 . ^[7]

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. ^[6] 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 . ^[3] Químicamente, se comporta como un ácido de Brønsted diprótico . ^[8]^[9]

Los monómeros de ácido carbónico exhiben tres isómeros conformacionales : cis-cis, cis-trans y trans-trans. ^[10]

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 .

La constante de equilibrio de hidratación a 25 °C es[ H
₂CO
₃]/[CO ₂ ] ≈ 1,7×10 ⁻³en agua pura ^[12] y ≈ 1,2×10 ⁻³ en agua de mar . ^[13] Por lo tanto, la mayor parte 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: ^[14] ${\ce {HCO3^- {+}H^+ <=> CO2 {+}H2O}}$

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 . ${\ce {CO_2 (solución) <=> CO_2 (g)}}$

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

Bajo CO alto2presión parcial

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. ^[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 están presentes 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

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 de estas constantes en la literatura incluyen $p$ $K$ $1$ $= 6,35$ y $p$ $K$ $2$ $-$ $p$ $K$ $1$ $= 3,49$ . ^[20] ${\begin{aligned}{\ce {CO3^{2-}{}+ H+{}<=> HCO3^-}}&&\beta _{1}={\frac {[{\ce { HCO3^-}}]}{[{\ce {H+}}][{\ce {CO3^{2-}}}]}}\\{\ce {CO3^{2-}{}+ 2H+{ }<=> H2CO3}}&&\beta _{2}={\frac {[{\ce {H2CO3}}]}{[{\ce {H+}}]^{2}[{\ce {CO3^ {2-}}}]}}\end{aligned}}$ ${\begin{alignedat}{6}\log(\beta _{1})=&&0&.54&I^{2}-0&.96&I+&&9&.93\\\log(\beta _{2}) =&&-2&.5&I^{2}-0&.043&I+&&16&.07\end{alignedat}}$ ${\begin{alignedat}{3}p{\text{K}}_{1}&=\log(\beta _{2})-\log(\beta _{1})&=6.77 \\p{\text{K}}_{2}&=\log(\beta _{1})&=9.93\end{alignedat}}$

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 $un pH \approx 7,2$ , por lo que el ácido carbónico estará disociado casi en un 50% en el equilibrio.

Acidificación oceánica

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.

Otras lecturas

"Clima y ácido carbónico" en Popular Science Monthly Volumen 59, julio de 1901
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Referencias

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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.