Właściwości, zastosowania i znaczenie kwasu węglowego (H2CO3)



The kwas węglowy, dawniej nazywany kwasem powietrznym lub kwasem powietrznym, jest jedynym kwasem nieorganicznym węgla i ma wzór H2CO3.

Sole kwasów węglowych nazywane są wodorowęglanami (lub wodorowęglanami) i węglanami (Human Metabolome Database, 2017). Jego struktura jest przedstawiona na rysunku 1 (EMBL-EBI, 2016).

Mówi się, że kwas węglowy tworzy się z dwutlenku węgla i wody. Kwas węglowy występuje tylko poprzez sole (węglany), sole kwasowe (wodorowęglany), aminy (kwas karbaminowy) i chlorki kwasowe (chlorek karbonylu) (MeSH, 1991).

Związku nie można wyizolować jako czystej lub stałej cieczy, ponieważ produkty jego rozkładu, dwutlenek węgla i woda, są znacznie bardziej stabilne niż kwas (Royal Society of Chemistry, 2015).

Kwas węglowy znajduje się w organizmie człowieka, CO2 obecny we krwi łączy się z wodą tworząc kwas węglowy, który następnie jest wydychany jako gaz przez płuca.

Występuje również w skałach i jaskiniach, gdzie wapienie mogą zostać rozpuszczone. H2CO3 można także znaleźć w węglu, meteorytach, wulkanach, kwaśnych deszczach, wodach gruntowych, oceanach i roślinach (formuła kwasu węglowego, S.F.).

Indeks

  • 1 Kwas węglowy i sole węglanowe
  • 2 „Hipotetyczny” dwutlenek węgla i kwas wodny
  • 3 Właściwości fizyczne i chemiczne
  • 4 zastosowania
  • 5 Znaczenie
  • 6 referencji

Kwas węglowy i sole węglanowe

Kwas węglowy powstaje w małych ilościach, gdy jego bezwodnik, dwutlenek węgla (CO2) rozpuszcza się w wodzie.

CO2 + H2O ⇌ H2CO3

Dominującymi gatunkami są po prostu uwodnione cząsteczki CO2. Można uznać, że kwas węglowy jest kwasem diprotycznym, z którego można wytworzyć dwie serie soli, mianowicie wodorowęglanami lub wodorowęglanami, zawierającymi HCO3- i węglany, zawierające CO32.-.

H2CO3 + H2O ⇌ H3O + + HCO3-

HCO3- + H2O ⇌ H3O + + CO32-

Jednak kwasowo-zasadowe zachowanie kwasu węglowego zależy od różnych prędkości niektórych zaangażowanych reakcji, jak również od jego zależności od pH układu. Na przykład przy pH niższym niż 8 główne reakcje i ich prędkość względna są następujące:

  • CO2 + H2O ⇌ H2CO3 (wolny)
  • H2CO3 + OH- ⇌ HCO3- + H2O (szybko)

Powyżej pH 10 ważne są następujące reakcje:

  • CO2 + OH- ⇌ HCO3- (wolny)
  • HCO3- + OH- ⇌ CO32- + H2O (szybko)

Pomiędzy wartościami pH 8 i 10 wszystkie powyższe reakcje równowagi są znaczące (Zumdahl, 2008).

„Hipotetyczny” dwutlenek węgla i kwas wodny

Do niedawna naukowcy byli przekonani, że kwas węglowy nie istnieje jako stabilna cząsteczka.

W czasopiśmie Angewandte Chemie niemieccy naukowcy wprowadzili prostą metodę pirolityczną do produkcji kwasu węglowego w fazie gazowej, która umożliwiła spektroskopową charakterystykę kwasu węglowego w fazie gazowej i jego estru monometylowego (Angewandte Chemie International Edition, 2014).

Kwas węglowy istnieje tylko przez niewielki ułamek sekundy, gdy dwutlenek węgla rozpuszcza się w wodzie, zanim stanie się mieszaniną protonów i anionów wodorowęglanowych.

Jednak pomimo krótkiego życia kwas węglowy wywiera trwały wpływ na atmosferę i geologię Ziemi, a także na ludzkie ciało.

Dzięki krótkiej żywotności szczegółowa chemia kwasu węglowego została ukryta w tajemnicy. Naukowcy tacy jak Berkeley Lab i University of California (UC) Berkeley pomagają podnieść tę zasłonę poprzez serię unikalnych eksperymentów.

W swoim najnowszym badaniu wykazali, w jaki sposób gazowe cząsteczki dwutlenku węgla są solwatowane przez wodę w celu zainicjowania chemii transferu protonów, która wytwarza kwas węglowy i wodorowęglan (Yarris, 2015).

W 1991 r. Naukowcom z Centrum Lotów Kosmicznych Goddard NASA (USA) udało się wytworzyć stałe próbki H2CO3. Zrobili to, wystawiając zamrożoną mieszaninę wody i dwutlenku węgla na promieniowanie protonowe o wysokiej energii, a następnie podgrzewając je, aby usunąć nadmiar wody.

Pozostały kwas węglowy scharakteryzowano metodą spektroskopii w podczerwieni. Fakt, że kwas węglowy został przygotowany przez napromieniowanie stałej mieszaniny H2O + CO2, lub nawet przez napromieniowanie samego suchego lodu.

Doprowadziło to do sugestii, że H2CO3 można znaleźć w kosmosie lub na Marsie, gdzie znaleziono lody H2O i CO2, a także promienie kosmiczne (Khanna, 1991)..

Właściwości fizyczne i chemiczne

Kwas węglowy występuje tylko w roztworze wodnym. Nie było możliwe wyizolowanie czystego związku. Ten roztwór jest łatwo rozpoznawalny, ponieważ ma musowanie gazowego dwutlenku węgla, który ucieka z ośrodka wodnego.

Ma masę cząsteczkową 622,024 g / mol i gęstość 1668 g / ml. Kwas węglowy jest słabym i niestabilnym kwasem, który częściowo dysocjuje w wodzie w jonach wodorowych (H +) i jonach wodorowęglanowych (HCO3-), których pKa wynosi 3,6.

Jako kwas diprotyczny może tworzyć dwa rodzaje soli, węglanów i wodorowęglanów. Dodanie zasady do nadmiaru kwasu węglowego daje sole wodorowęglanowe, podczas gdy dodanie nadmiaru zasady do kwasu węglowego daje sole węglanowe (National Center for Biotechnology Information., 2017).

Kwas węglowy nie jest uważany za toksyczny lub niebezpieczny i jest obecny w organizmie człowieka. Jednak narażenie na wysokie stężenia może podrażniać oczy i drogi oddechowe.

Używa

Według Michelle McGuire w Nutrition Sciences iKwas węglowy znajduje się w sfermentowanej żywności w postaci odpadów wytwarzanych przez bakterie, które żywią się gnijącym pokarmem.

Pęcherzyki gazu wytwarzane w żywności to zwykle dwutlenek węgla z kwasu węglowego i znak, że żywność fermentuje. Przykładami powszechnie spożywanych fermentowanych produktów spożywczych są sos sojowy, zupa miso, kapusta kiszona, koreańskie kimchi, tempeh, kefir i jogurt.

Sfermentowane ziarna i warzywa zawierają również pożyteczne bakterie, które mogą kontrolować potencjalnie patogenne mikroorganizmy w jelitach i poprawić produkcję witamin B-12 i K.

W procesie nasycania wody dwutlenkiem węgla powstaje kwas węglowy, roztwór dwutlenku węgla lub węglan diwodorowy. Odpowiada za musujący aspekt napojów bezalkoholowych i napojów bezalkoholowych, jak wskazano w Słowniku Nauki o Żywności i Technologii.

Kwas węglowy przyczynia się do wysokiej kwasowości sody, ale zawartość rafinowanego cukru i kwasu fosforowego jest główną odpowiedzialnością za wspomnianą kwasowość (DUBOIS, 2016).

Kwas węglowy jest również stosowany w wielu innych dziedzinach, takich jak farmaceutyki, kosmetyki, nawozy, przetwarzanie żywności, środki znieczulające itp..

Znaczenie

Kwas węglowy jest powszechnie spotykany w wodzie oceanów, mórz, jezior, rzek i deszczu, ponieważ powstaje, gdy dwutlenek węgla, który jest rozpowszechniony w atmosferze, wchodzi w kontakt z wodą..

Jest nawet obecny w lodzie lodowców, chociaż w mniejszych ilościach. Kwas węglowy jest bardzo słabym kwasem, chociaż z czasem może przyczyniać się do erozji.

Wzrost zawartości dwutlenku węgla w atmosferze spowodował powstanie większej ilości dwutlenku węgla w oceanach i jest częściowo odpowiedzialny za niewielki wzrost kwasowości oceanów w ciągu ostatnich stu lat.

Dwutlenek węgla, produkt odpadowy metabolizmu komórkowego, występuje w stosunkowo wysokim stężeniu w tkankach. Rozprasza się we krwi i zostaje zabrany do płuc, aby wyeliminować je z wydychanym powietrzem.

Dwutlenek węgla jest znacznie bardziej rozpuszczalny niż tlen i łatwo przenika do czerwonych krwinek. Reaguje z wodą tworząc kwas węglowy, który przy alkalicznym pH krwi występuje głównie jako wodorowęglan (Robert S. Schwartz, 2016).

Dwutlenek węgla dostaje się do krwi i tkanek, ponieważ jego lokalne ciśnienie cząstkowe jest większe niż jego ciśnienie cząstkowe we krwi, która przepływa przez tkanki. Gdy dwutlenek węgla dostaje się do krwi, łączy się z wodą, tworząc kwas węglowy, który dysocjuje na jony wodorowe (H +) i jony wodorowęglanowe (HCO3-).

Naturalna konwersja dwutlenku węgla w kwas węglowy jest procesem stosunkowo wolnym. Jednak anhydraza węglanowa, enzym białkowy obecny w krwinkach czerwonych, katalizuje tę reakcję wystarczająco szybko, aby osiągnąć ją w ułamku sekundy..

CO2 + H2O ⇌ H2CO3

Ponieważ enzym jest obecny tylko wewnątrz czerwonych krwinek, wodorowęglan gromadzi się w znacznie większym stopniu w krwinkach czerwonych niż w osoczu.

Zdolność krwi do transportu dwutlenku węgla jako wodorowęglanu jest wzmocniona przez system transportu jonów w błonie czerwonych krwinek, który jednocześnie przenosi jon wodorowęglanowy z komórki do plazmy w zamian za jon chlorkowy.

Jednoczesna wymiana tych dwóch jonów, znana jako wymiana chlorków, pozwala na wykorzystanie plazmy jako miejsca przechowywania wodorowęglanów bez zmiany ładunku elektrycznego osocza lub czerwonych krwinek.

Tylko 26 procent całkowitej zawartości dwutlenku węgla we krwi występuje jako wodorowęglan wewnątrz czerwonych krwinek, podczas gdy 62 procent występuje jako wodorowęglan w osoczu; jednak większość jonów wodorowęglanowych jest najpierw wytwarzana wewnątrz komórki, a następnie transportowana do plazmy.

Odwrotna sekwencja reakcji występuje, gdy krew dociera do płuc, gdzie ciśnienie cząstkowe dwutlenku węgla jest niższe niż we krwi. Reakcja katalizowana przez anhydrazę węglanową jest odwracana w płucach, gdzie przekształca wodorowęglan z powrotem w CO2 i umożliwia jego wydalenie (Neil S. Cherniack, 2015).

Referencje

  1. Angewandte Chemie International Edition. (2014, 23 września). Kwas węglowy - a jednak istnieje! Źródło: chemistryviews.org.
  2. Formuła kwasu węglowego. (S.F.). Odzyskane z softschools.com.
  3. DUBOIS, S. (2016, 11 stycznia). Kwas węglowy w żywności. Źródło z livestrong.com.
  4. EMBL-EBI (2016, 27 stycznia). kwas węglowy. Odzyskane z ebi.ac.uk.
  5. Baza danych ludzkich metabolitów. (2017, 2 marca). Kwas węglowy. Pobrane z hmdb.ca. 
  6. Khanna, M. M. (1991). Badania spektralne w podczerwieni i masie lodu H2O + CO2 napromieniowanego protonem: dowody na obecność kwasu węglowego. Spectrochimica Acta Część A: Molecular Spectroscopy Tom 47, Issue 2, 255-262. Źródło: science.gsfc.nasa.gov.
  7. (1991). Kwas węglowy. Pobrane z ncbi.nlm.nih.
  8. National Center for Biotechnology Information ... (2017, 11 marca). PubChem Compound Database; CID = 767. Źródło: pubchem.ncbi.nlm.nih.gov.
  9. Neil S. Cherniack, e. a. (2015, 20 marca). Układ oddechowy człowieka Odzyskany z britannica.com.
  10. Robert S. Schwartz, C. L. (2016, 29 kwietnia). Krew. Odzyskany z britannica.com.
  11. Królewskie Towarzystwo Chemiczne. (2015). Kwas węglowy. Źródło: chemspider.com.
  12. Yarris, L. (2015, 16 czerwca). Odkrywanie tajemnic kwasu węglowego. Źródło: newscenter.lbl.gov.
  13. Zumdahl, S. S. (2008, 15 sierpnia). Oksykwas Źródło: britannica.com.