حمض الكربونيك (H2CO3) الخصائص والاستخدامات والأهمية

ال حمض الكربونيك, كان يُطلق عليه سابقًا حمض الهواء أو حمض الجو ، وهو الحمض غير العضوي الوحيد للكربون وله الصيغة H2CO3.

تسمى أملاح الأحماض الكربونية بيكربونات (أو كربونات الهيدروجين) والكربونات (قاعدة بيانات الإنسان البشرية ، 2017). ويرد هيكلها في الشكل 1 (EMBL-EBI ، 2016).

يقال أن حمض الكربونيك يتكون من ثاني أكسيد الكربون والماء. يحدث حمض الكربونيك فقط من خلال الأملاح (الكربونات) ، أملاح الحمض (كربونات الهيدروجين) ، الأمينات (حمض الكارباميك) وكلوريد الحمض (كلوريد الكربونيل) (MeSH ، 1991).

لا يمكن عزل المركب كسائل نقي أو صلب ، لأن منتجات تحلله وثاني أكسيد الكربون والماء أكثر ثباتًا من الحمض (الجمعية الملكية للكيمياء ، 2015).

يوجد حمض الكربونيك في جسم الإنسان ، ويجمع ثاني أكسيد الكربون الموجود في الدم مع الماء لتكوين حمض الكربونيك ، والذي يتم بعد ذلك الزفير كغاز بواسطة الرئتين..

كما توجد في الصخور والكهوف حيث يمكن إذابة الحجر الجيري. يمكن أيضًا العثور على H2CO3 في الفحم والنيازك والبراكين والمطر الحمضي والمياه الجوفية والمحيطات والنباتات (حمض الكربونيك الفورمولا ، S.F).

مؤشر

• 1 حمض الكربونيك وأملاح الكربونات
• 2 "افتراضي" ثاني أكسيد الكربون وحمض الماء
• 3 الخواص الفيزيائية والكيميائية
• 4 الاستخدامات
• 5 أهمية
• 6 المراجع

حمض الكربونيك وأملاح الكربونات

يتكون حمض الكربونيك بكميات صغيرة عندما يذوب أنهيدريد ، ثاني أكسيد الكربون (CO2) ، في الماء.

CO2 + H2O ⇌ H2CO3

الأنواع السائدة هي ببساطة جزيئات ثاني أكسيد الكربون المائي. يمكن اعتبار أن حمض الكربونيك عبارة عن حمض ثنائي البروتينات يمكن من خلاله تشكيل سلسلتين من الأملاح ، وهما كربونات الهيدروجين أو بيكربونات المحتوية على HCO3- والكربونات المحتوية على ثاني أكسيد الكربون.-.

H2CO3 + H2O ⇌ H3O + + HCO3-

HCO3- + H2O ⇌ H3O + + CO32-

ومع ذلك ، فإن سلوك الحمض القاعدي الحمضي يعتمد على السرعات المختلفة لبعض التفاعلات المعنية ، وكذلك اعتماده على الرقم الهيدروجيني للنظام. على سبيل المثال ، عند درجة الحموضة أقل من 8 ، تكون التفاعلات الرئيسية وسرعتها النسبية كما يلي:

• CO2 + H2O ⇌ H2CO3 (بطيء)
• H2CO3 + OH- CO HCO3- + H2O (سريع)

أعلى من الرقم الهيدروجيني 10 ، التفاعلات التالية مهمة:

• CO2 + OH- CO HCO3- (بطيء)
• HCO3- + OH- 32 CO32- + H2O (سريع)

بين قيم الأس الهيدروجيني 8 و 10 ، كل تفاعلات التوازن المذكورة أعلاه مهمة (Zumdahl ، 2008).

ثاني أكسيد الكربون "الافتراضي" وحمض الماء

حتى وقت قريب نسبيًا ، كان العلماء مقتنعين بأن حمض الكربونيك لم يكن موجودًا كجزيء مستقر.

في مجلة Angewandte Chemie ، أدخل باحثون ألمان طريقة تحليل حراري بسيطة لإنتاج حمض الكربونيك في المرحلة الغازية والتي سمحت بالتوصيف الطيفي للحمض الكربوني الطور للغاز واستير المون ميثيل (الطبعة الدولية Angewandte Chemie ، 2014).

حمض الكربونيك موجود فقط لجزء صغير من الثانية عندما يذوب ثاني أكسيد الكربون في الماء قبل أن يصبح مزيجًا من البروتونات وأنيونات البيكربونات.

على الرغم من طول العمر ، إلا أن حمض الكربونيك يمنح تأثيرًا دائمًا على الغلاف الجوي للأرض والجيولوجيا ، وكذلك على جسم الإنسان..

بسبب العمر القصير ، تم إخفاء كيمياء حمض الكربونيك المفصلة في اللغز. يساعد باحثون مثل بيركلي لاب وجامعة كاليفورنيا بيركلي في رفع هذا الحجاب من خلال سلسلة من التجارب الفريدة..

في أحدث دراستهم ، أظهروا كيف يتم إذابة جزيئات ثاني أكسيد الكربون الغازية بالماء لبدء كيمياء نقل البروتون الذي ينتج حمض الكربونيك وبيكربونات (Yarris ، 2015).

في عام 1991 ، تمكن العلماء في مركز جودارد لرحلات الفضاء بالولايات المتحدة الأمريكية (ناسا) من إنتاج عينات صلبة من H2CO3. لقد فعلوا ذلك عن طريق تعريض مزيج متجمد من الماء وثاني أكسيد الكربون لإشعاع البروتون عالي الطاقة ، ثم تسخينه لإزالة الماء الزائد.

كان حامض الكربونيك المتبقي يتميز بالطيف بالأشعة تحت الحمراء. حقيقة أن حمض الكربونيك تم تحضيره بواسطة تشعيع خليط صلب من H2O + CO2 ، أو حتى عن طريق تشعيع الثلج الجاف وحده.

وقد أدى ذلك إلى اقتراحات بأنه يمكن العثور على H2CO3 في الفضاء الخارجي أو على سطح المريخ ، حيث تم العثور على آيس كريم H2O و CO2 ، وكذلك الأشعة الكونية (Khanna ، 1991)..

الخصائص الفيزيائية والكيميائية

حمض الكربونيك موجود فقط في محلول مائي. لم يكن من الممكن عزل المركب النقي. يتم التعرف على هذا المحلول بسهولة لأنه يحتوي على نسبة من ثاني أكسيد الكربون الغازي الذي يهرب من الوسط المائي.

له وزن جزيئي 62،024 جم / مول وكثافة 1،668 جم / مل. حمض الكربونيك هو حمض ضعيف وغير مستقر ، والذي ينفصل جزئيًا في الماء في أيونات الهيدروجين (H +) وأيونات بيكربونات (HCO3-) والتي تبلغ نسبة pKa 3.6 لها.

كونه حمض ثنائي البروتيك ، فإنه يمكن أن يشكل نوعين من الأملاح ، الكربونات وبيكربونات. إضافة القاعدة إلى فائض حمض الكربونيك تعطي أملاح البيكربونات ، في حين أن إضافة القاعدة الزائدة إلى حمض الكربونيك تعطي أملاح الكربونات (المركز الوطني لمعلومات التكنولوجيا الحيوية ، 2017).

لا يعتبر حمض الكربونيك سامًا أو خطيرًا ، وهو موجود في جسم الإنسان. ومع ذلك ، يمكن أن يؤدي التعرض لتركيزات عالية إلى تهيج العينين والجهاز التنفسي.

تطبيقات

وفقا لميشيل مكجوير في علوم التغذيةيوجد حمض الكربونيك في الأطعمة المخمرة في شكل نفايات تولدها البكتيريا التي تتغذى على الطعام المتحلل.

فقاعات الغاز التي تنتج في الغذاء هي عادة ثاني أكسيد الكربون من حمض الكربونيك وعلامة على أن الأغذية تتخمر. من الأمثلة على الأطعمة المخمرة التي يتم تناولها بشكل شائع ، صلصة الصويا ، حساء ميسو ، مخلل الملفوف ، الكيمتشي الكوري ، تيمبيه ، الكفير واللبن.

تحتوي الحبوب والخضروات المخمرة أيضًا على بكتيريا مفيدة يمكنها التحكم في الكائنات الحية الدقيقة المسببة للأمراض داخل الأمعاء وتحسين إنتاج الفيتامينات B-12 و K.

يتشكل حمض الكربونيك ، محلول ثاني أكسيد الكربون أو كربونات هيدروجين خلال عملية كربنة الماء. إنه مسؤول عن الجانب الفوار للمشروبات الغازية والمشروبات الغازية ، كما هو موضح في قاموس علوم وتكنولوجيا الأغذية.

يساهم حمض الكربونيك في ارتفاع نسبة الحموضة في الصودا ، لكن محتوى السكر المكرر وحمض الفوسفوريك هما المسؤولان الرئيسيان عن الحموضة المذكورة (DUBOIS ، 2016).

يستخدم حمض الكربونيك أيضًا في العديد من المجالات الأخرى ، مثل المستحضرات الصيدلانية ومستحضرات التجميل والأسمدة ومعالجة الأطعمة والتخدير ، إلخ..

أهمية

يوجد حمض الكربونيك عادة في مياه المحيطات والبحار والبحيرات والأنهار والأمطار لأنها تتشكل عندما يتلامس ثاني أكسيد الكربون ، المنتشر في الجو ، مع الماء..

إنه موجود حتى في جليد الأنهار الجليدية ، وإن كان بكميات أقل. حمض الكربونيك حمض ضعيف للغاية ، على الرغم من أنه يمكن أن يسهم في التآكل مع مرور الوقت.

تسببت زيادة ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي في توليد المزيد من ثاني أكسيد الكربون في المحيطات ، وهي مسؤولة جزئيًا عن الزيادة الطفيفة في حموضة المحيطات خلال المائة عام الماضية.

تم العثور على ثاني أكسيد الكربون ، وهو منتج النفايات من الأيض الخلوي ، في تركيز عال نسبيا في الأنسجة. ينتشر في الدم ويؤخذ إلى الرئتين للتخلص من الهواء المنتهي.

ثاني أكسيد الكربون أكثر قابلية للذوبان من الأكسجين وينتشر بسهولة في خلايا الدم الحمراء. يتفاعل مع الماء لتكوين حمض الكربونيك ، والذي يظهر في درجة الحموضة القلوية في الدم بشكل رئيسي ككربونات (Robert S. Schwartz، 2016).

يدخل ثاني أكسيد الكربون في الدم والأنسجة لأن ضغطه الجزئي المحلي أكبر من الضغط الجزئي في الدم الذي يتدفق عبر الأنسجة. عندما يدخل ثاني أكسيد الكربون في الدم ، يتحد مع الماء لتكوين حمض كربوني ينفصل إلى أيونات الهيدروجين (H +) وأيونات بيكربونات (HCO3-).

التحويل الطبيعي لثاني أكسيد الكربون إلى حمض الكربونيك عملية بطيئة نسبيًا. ومع ذلك ، فإن الأنهيدراز الكربوني ، وهو إنزيم البروتين الموجود داخل خلايا الدم الحمراء ، يحفز هذا التفاعل بسرعة كافية بحيث لا يتحقق إلا في جزء صغير من الثانية..

CO2 + H2O ⇌ H2CO3

لأن الإنزيم موجود فقط داخل خلايا الدم الحمراء ، يتراكم البيكربونات بدرجة أكبر بكثير داخل خلايا الدم الحمراء مقارنة بالبلازما.

يتم تعزيز قدرة الدم على نقل ثاني أكسيد الكربون كما بيكربونات عن طريق نظام نقل أيون داخل غشاء خلايا الدم الحمراء التي تتحرك في وقت واحد أيون بيكربونات خارج الخلية وإلى البلازما في مقابل أيون الكلوريد.

إن التبادل المتزامن لهذين الأيونيين ، المعروف باسم تبادل الكلوريد ، يسمح باستخدام البلازما كموقع لتخزين بيكربونات دون تغيير الشحنة الكهربائية للبلازما أو خلايا الدم الحمراء..

يوجد 26 في المائة فقط من إجمالي محتوى ثاني أكسيد الكربون في الدم ككربونات داخل خلايا الدم الحمراء ، بينما يوجد 62 في المائة ككربونات في البلازما ؛ ومع ذلك ، يتم إنتاج معظم أيونات البيكربونات أولاً داخل الخلية ، ثم نقلها إلى البلازما.

يحدث تسلسل عكسي للتفاعلات عندما يصل الدم إلى الرئة ، حيث يكون الضغط الجزئي لثاني أكسيد الكربون أقل منه في الدم. يتم عكس رد الفعل المحفز بواسطة الأنهيدراز الكربوني في الرئتين ، حيث يحول البيكربونات إلى CO2 ويسمح بطرده (Neil S. Cherniack ، 2015).

مراجع

1. Angewandte Chemie الطبعة الدولية. (2014 ، 23 سبتمبر). حمض الكربونيك - ومع ذلك فهو موجود! تم الاسترجاع من chemistryviews.org.
2. حمض الكربونيك الفورمولا. (وس. ف.). تعافى من softschools.com.
3. دوبوا ، س. (2016 ، 11 يناير). حمض الكربونيك في الأطعمة. تم الاسترجاع من livestrong.com.
4. EMBL-بنك الإمارات الدولي. (2016 ، 27 يناير). حمض الكربونيك. تعافى من ebi.ac.uk.
5. قاعدة الأيض البشرية. (2017 ، 2 مارس). حمض الكربونيك. تم الاسترجاع من hmdb.ca. 
6. خانا ، م. (1991). دراسات طيفية بالأشعة تحت الحمراء والكتلة لجليد H2O + CO2 المشع من البروتون: دليل على حمض الكربونيك. Spectrochimica Acta Part A: التحليل الطيفي الجزيئي ، المجلد 47 ، العدد 2 ، 255-262. تم الاسترجاع من science.gsfc.nasa.gov.
7. (1991). حمض الكربونيك. تم الاسترجاع من ncbi.nlm.nih.
8. المركز الوطني لمعلومات التكنولوجيا الحيوية ... (2017 ، 11 مارس). قاعدة بيانات PubChem المركبة ؛ إدارة البحث الجنائي = 767. تم الاسترجاع من pubchem.ncbi.nlm.nih.gov.
9. نيل س. تشيرنياك ، هـ. أ. (2015 ، 20 مارس). الجهاز التنفسي البشري تعافى من britannica.com.
10. Robert S. Schwartz، C. L. (2016، 29 April). الدم. تعافى من britannica.com.
11. الجمعية الملكية للكيمياء. (2015). حمض الكربونيك. تم الاسترجاع من: chemspider.com.
12. ياريس ، ل. (2015 ، 16 يونيو). كشف ألغاز حمض الكربونيك. تم الاسترجاع من: newscenter.lbl.gov.
13. Zumdahl، S. S. (2008، 15 August). Oxyacid. تم الاسترجاع من: britannica.com.