- Struktur
- Molekül
- Molekulare Wechselwirkungen
- Reine Kohlensäure
- Eigenschaften
- Synthese
- Auflösung
- Flüssigkeits-Dampf-Gleichgewicht
- Rein fest
- Anwendungen
- Risiken
- Verweise
Die Kohlensäure ist eine anorganische Verbindung, obwohl einige Debatten tatsächlich organisch sind, die chemische Formel H 2 CO 3 . Es ist daher eine diprotische Säure, die in der Lage ist, zwei H + -Ionen an das wässrige Medium abzugeben, um zwei molekulare Kationen H 3 O + zu erzeugen . Daraus entstehen die bekannten Bicarbonat- (HCO 3 - ) und Carbonationen (CO 3 2- ).
Diese eigentümliche Säure, einfach, aber gleichzeitig in Systemen involviert, in denen zahlreiche Spezies an einem Flüssigkeits-Dampf-Gleichgewicht beteiligt sind, wird aus zwei grundlegenden anorganischen Molekülen gebildet: Wasser und Kohlendioxid. Das Vorhandensein von ungelöstem CO 2 wird immer dann beobachtet, wenn im Wasser Blasen entstehen, die zur Oberfläche hin ansteigen.
Glas mit kohlensäurehaltigem Wasser, eines der häufigsten kohlensäurehaltigen Getränke. Quelle: Pxhere.
Dieses Phänomen tritt sehr regelmäßig bei kohlensäurehaltigen Getränken und kohlensäurehaltigem Wasser auf.
Bei kohlensäurehaltigem oder kohlensäurehaltigem Wasser (oberes Bild) hat sich eine solche Menge an CO 2 aufgelöst, dass sein Dampfdruck mehr als doppelt so hoch ist wie der atmosphärische Druck. Beim Entkappen verringert der Druckunterschied innerhalb und außerhalb der Flasche die Löslichkeit von CO 2 , weshalb Blasen auftreten, die aus der Flüssigkeit entweichen.
In geringerem Maße passiert dasselbe in jedem Körper mit frischem oder salzhaltigem Wasser: Beim Erhitzen setzen sie ihren gelösten CO 2 -Gehalt frei .
CO 2 wird jedoch nicht nur gelöst, sondern in seinem Molekül transformiert, wodurch es zu H 2 CO 3 wird . Eine Säure, die eine zu geringe Lebensdauer hat, aber ausreicht, um eine messbare Änderung des pH-Werts ihres wässrigen Lösungsmittelmediums zu markieren und ein einzigartiges Carbonatpuffersystem zu erzeugen.
Struktur
Molekül
Kohlensäuremolekül, dargestellt durch ein Kugel- und Balkenmodell. Quelle: Jynto und Ben Mills über Wikipedia.
Oben haben wir das H 2 CO 3 -Molekül , dargestellt durch Kugeln und Balken. Die roten Kugeln entsprechen den Sauerstoffatomen, die schwarzen dem Kohlenstoffatom und die weißen den Wasserstoffatomen.
Beachten Sie, dass Sie ausgehend vom Bild eine andere gültige Formel für diese Säure schreiben können: CO (OH) 2 , wobei CO die Carbonylgruppe C = O wird, die an zwei Hydroxylgruppen OH gebunden ist. Da es zwei OH-Gruppen gibt, die ihre Wasserstoffatome abgeben können, ist nun klar, woher die in die Umwelt freigesetzten H + -Ionen stammen.
Molekülstruktur von Kohlensäure.
Beachten Sie auch, dass die Formel CO (OH) 2 als OHCOOH geschrieben werden kann; das heißt vom RCOOH-Typ, wobei R in diesem Fall eine OH-Gruppe ist.
Aus diesem Grund wird Kohlensäure neben der Tatsache, dass das Molekül aus Sauerstoff-, Wasserstoff- und Kohlenstoffatomen besteht, die in der organischen Chemie nur allzu häufig vorkommen, von einigen als organische Verbindung angesehen. Im Abschnitt über seine Synthese wird jedoch erklärt, warum andere es als anorganisch und anorganisch betrachten.
Molekulare Wechselwirkungen
Von dem Molekül H 2 CO 3 kann kommentiert werden, dass seine Geometrie eine trigonale Ebene ist, wobei sich der Kohlenstoff in der Mitte des Dreiecks befindet. In zwei seiner Eckpunkte hat es OH-Gruppen, die Wasserstoffbrückenbindungsdonoren sind; und im anderen verbleibenden ein Sauerstoffatom der Gruppe C = O, Akzeptor von Wasserstoffbrückenbindungen.
Daher neigt H 2 CO 3 stark zur Wechselwirkung mit protischen oder sauerstoffhaltigen (und stickstoffhaltigen) Lösungsmitteln.
Zufälligerweise erfüllt Wasser diese beiden Eigenschaften, und die Affinität von H 2 CO 3 ist so groß, dass es fast sofort ein H + abgibt und sich ein Hydrolysegleichgewicht einstellt, an dem die Spezies HCO 3 - und H 3 O beteiligt sind + .
Deshalb baut die bloße Anwesenheit von Wasser Kohlensäure ab und macht es zu schwierig, sie als reine Verbindung zu isolieren.
Reine Kohlensäure
Zurück zum H 2 CO 3 -Molekül ist es nicht nur flach und kann Wasserstoffbrückenbindungen herstellen, sondern es kann auch eine cis-trans-Isomerie aufweisen. Dies ist, in dem Bild haben wir das cis-Isomer, wobei die beiden Hs in die gleiche Richtung zeigen, während sie im trans-Isomer in entgegengesetzte Richtungen zeigen würden.
Das cis-Isomer ist das stabilere der beiden, und deshalb ist es das einzige, das normalerweise dargestellt wird.
Ein reiner Feststoff aus H 2 CO 3 besteht aus einer kristallinen Struktur, die aus Schichten oder Schichten von Molekülen besteht, die mit lateralen Wasserstoffbrückenbindungen interagieren. Dies ist zu erwarten, da das H 2 CO 3 -Molekül flach und dreieckig ist. Bei der Sublimation treten cyclische Dimere (H 2 CO 3 ) 2 auf , die durch zwei Wasserstoffbrückenbindungen C = O-OH verbunden sind.
Die Symmetrie der H 2 CO 3 -Kristalle ist derzeit nicht definiert. Es wurde angenommen, dass es als zwei Polymorphe kristallisiert: α-H 2 CO 3 und β-H 2 CO 3 . Es wurde jedoch gezeigt, dass α-H 2 CO 3 , synthetisiert aus einer Mischung von CH 3 COOH-CO 2 , tatsächlich CH 3 OCOOH ist: ein Monomethylester der Kohlensäure.
Eigenschaften
Es wurde erwähnt, dass H 2 CO 3 eine diprotische Säure ist, so dass es zwei H + -Ionen an ein Medium abgeben kann, das sie akzeptiert. Wenn dieses Medium Wasser ist, lauten die Gleichungen seiner Dissoziation oder Hydrolyse:
H 2 CO 3 (aq) + H 2 O (1) HCO 3 - (aq) + H 3 O + (aq) (Ka 1 = 2,5 × 10 –4 )
HCO 3 - (aq) + H 2 O (1) CO 3 2- (aq) + H 3 O + (aq) (Ka 2 = 4,69 × 10 –11 )
HCO 3 - ist das Bicarbonat- oder Hydrogencarbonatanion und CO 3 2- das Carbonatanion. Ihre jeweiligen Gleichgewichtskonstanten Ka 1 und Ka 2 sind ebenfalls angegeben . Da Ka 2 fünf Millionen Mal kleiner als Ka 1 ist , sind die Bildung und Konzentration von CO 3 2- vernachlässigbar.
Obwohl es sich um eine diprotische Säure handelt, kann das zweite H + sie daher kaum nennenswert freisetzen. Das Vorhandensein von gelöstem CO 2 in großen Mengen reicht jedoch aus, um das Medium anzusäuern; in diesem Fall Wasser, das seine pH-Werte senkt (unter 7).
Von Kohlensäure zu sprechen bedeutet, sich praktisch auf eine wässrige Lösung zu beziehen, in der die Spezies HCO 3 - und H 3 O + vorherrschen ; es kann mit herkömmlichen Methoden nicht isoliert werden, da der kleinste Versuch das Gleichgewicht der CO 2 -Löslichkeit in die Bildung von Blasen verschieben würde, die aus dem Wasser entweichen würden.
Synthese
Auflösung
Kohlensäure ist eine der am einfachsten zu synthetisierenden Verbindungen. Wie? Die einfachste Methode besteht darin, mit Hilfe eines Strohhalms oder eines Strohhalms die Luft, die wir ausatmen, in ein Wasservolumen zu sprudeln. Da wir im Wesentlichen CO 2 ausatmen , sprudelt es ins Wasser und löst einen kleinen Teil davon auf.
Wenn wir dies tun, tritt die folgende Reaktion auf:
CO 2 (g) + H 2 O (l) H 2 CO 3 (aq)
Die Löslichkeit von CO 2 in Wasser muss jedoch berücksichtigt werden :
CO 2 (g) CO 2 (aq)
Sowohl CO 2 als auch H 2 O sind anorganische Moleküle, daher ist H 2 CO 3 unter diesem Gesichtspunkt anorganisch.
Flüssigkeits-Dampf-Gleichgewicht
Als Ergebnis haben wir ein Gleichgewichtssystem, das stark von den Partialdrücken von CO 2 sowie der Temperatur der Flüssigkeit abhängt.
Wenn zum Beispiel der Druck von CO 2 ansteigt (falls wir die Luft mit mehr Kraft durch den Strohhalm blasen), wird mehr H 2 CO 3 gebildet und der pH wird saurer; da verschiebt sich das erste Gleichgewicht nach rechts.
Wenn wir andererseits die H 2 CO 3 -Lösung erhitzen , nimmt die Löslichkeit von CO 2 in Wasser ab, da es sich um ein Gas handelt, und das Gleichgewicht verschiebt sich dann nach links (es wird weniger H 2 CO 3 geben ). Ähnlich wird es sein, wenn wir versuchen, ein Vakuum anzulegen: Das CO 2 entweicht ebenso wie die Wassermoleküle, wodurch das Gleichgewicht wieder nach links verschoben würde.
Rein fest
Das Obige lässt uns zu einer Schlussfolgerung gelangen: Aus einer H 2 CO 3 -Lösung gibt es keine Möglichkeit, diese Säure mit einem herkömmlichen Verfahren als reinen Feststoff zu synthetisieren. Es wurde jedoch seit den 90er Jahren des letzten Jahrhunderts ausgehend von festen Gemischen aus CO 2 und H 2 O durchgeführt.
Diese feste Mischung aus 50% CO 2 -H 2 O wird mit Protonen (einer Art kosmischer Strahlung) beschossen, so dass keine der beiden Komponenten entweicht und die Bildung von H 2 CO 3 auftritt . Zu diesem Zweck wurde auch eine CH 3 OH-CO 2 -Mischung verwendet (denken Sie an α-H 2 CO 3 ).
Eine andere Methode besteht darin, dasselbe zu tun, aber Trockeneis direkt zu verwenden, nicht mehr.
Von den drei Methoden konnten NASA-Wissenschaftler zu einer Schlussfolgerung gelangen: Reine Kohlensäure, fest oder gasförmig, kann in den eisigen Satelliten des Jupiter, in Marsgletschern und in Kometen existieren, wo solche festen Gemische ständig bestrahlt werden. durch kosmische Strahlung.
Anwendungen
Kohlensäure an sich ist eine nutzlose Verbindung. Aus ihren Lösungen können jedoch Pufferlösungen hergestellt werden, die auf den Paaren HCO 3 - / CO 3 2- oder H 2 CO 3 / HCO 3 - basieren .
Dank dieser Lösungen und der Wirkung des in roten Blutkörperchen vorhandenen Carboanhydraseenzyms kann das bei der Atmung entstehende CO 2 im Blut in die Lunge transportiert werden, wo es schließlich freigesetzt wird, um außerhalb unseres Körpers ausgeatmet zu werden.
Das Sprudeln von CO 2 wird verwendet, um alkoholfreien Getränken das angenehme und charakteristische Gefühl zu geben, das sie beim Trinken im Hals hinterlassen.
Ebenso hat das Vorhandensein von H 2 CO 3 eine geologische Bedeutung für die Bildung von Kalksteinstalaktiten, da es sie langsam auflöst, bis sie ihre spitzen Oberflächen bilden.
Andererseits können seine Lösungen verwendet werden, um einige metallische Bicarbonate herzustellen; Hierfür ist es jedoch rentabler und einfacher, ein Bicarbonatsalz ( z. B. NaHCO 3 ) direkt zu verwenden .
Risiken
Kohlensäure hat unter normalen Bedingungen eine so vernachlässigbare Lebensdauer (sie schätzt etwa 300 Nanosekunden), dass sie für die Umwelt und die Lebewesen praktisch harmlos ist. Wie bereits erwähnt, bedeutet dies jedoch nicht, dass der pH-Wert des Meerwassers nicht besorgniserregend verändert werden kann, was sich auf die Meeresfauna auswirkt.
Andererseits besteht das wirkliche "Risiko" in der Aufnahme von kohlensäurehaltigem Wasser, da die darin gelöste Menge an CO 2 viel höher ist als in normalem Wasser. Es gibt jedoch auch keine Studien, die gezeigt haben, dass das Trinken von kohlensäurehaltigem Wasser ein tödliches Risiko darstellt. wenn sie es sogar empfehlen, um zu fasten und Verdauungsstörungen zu bekämpfen.
Der einzige negative Effekt, der bei denen beobachtet wird, die dieses Wasser trinken, ist das Gefühl der Fülle, wenn sich ihr Magen mit Gasen füllt. Abgesehen davon (ganz zu schweigen von Limonaden, da sie viel mehr als nur Kohlensäure enthalten) kann man sagen, dass diese Verbindung überhaupt nicht toxisch ist.
Verweise
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- Shiver & Atkins. (2008). Anorganische Chemie. (Vierte Edition). Mc Graw Hill.
- Wikipedia. (2019). Kohlensäure. Wiederhergestellt von: en.wikipedia.org
- Danielle Reid. (2019). Kohlensäure: Video zur Bildung, Struktur und chemischen Gleichung. Studie. Wiederhergestellt von: study.com
- Götz Bucher & Wolfram Sander. (2014). Klärung der Struktur von Kohlensäure. Vol. 346, Issue 6209, pp. 544-545. DOI: 10.1126 / science.1260117
- Lynn Yarris. (22. Oktober 2014). Neue Erkenntnisse über Kohlensäure in Wasser. Berkeley Lab. Wiederhergestellt von: newscenter.lbl.gov
- Claudia Hammond. (2015, 14. September). Ist Sprudelwasser wirklich schlecht für dich? Wiederhergestellt von: bbc.com
- Jürgen Bernard. (2014). Feste und gasförmige Kohlensäure. Institut für Physikalische Chemie. Universität Innsbruck.