- Structure
- Molécule
- Interactions moléculaires
- Acide carbonique pur
- Propriétés
- Synthèse
- Dissolution
- Équilibre liquide-vapeur
- Solide pur
- Applications
- Des risques
- Références
L' acide carbonique est un composé inorganique, bien que certains débats soient en fait organiques, la formule chimique H 2 CO 3. Il s'agit donc d'un acide diprotique, capable de donner deux ions H + au milieu aqueux pour générer deux cations moléculaires H 3 O +. Il en résulte les ions bien connus bicarbonate (HCO 3 -) et carbonate (CO 3 2-).
Cet acide particulier, simple, mais en même temps impliqué dans des systèmes où de nombreuses espèces participent à un équilibre liquide-vapeur, est formé de deux molécules inorganiques fondamentales: l'eau et le dioxyde de carbone. La présence de CO 2 non dissous est observée chaque fois qu'il y a un bouillonnement dans l'eau, remontant vers la surface.
Verre avec de l'eau gazeuse, l'une des boissons les plus courantes contenant de l'acide carbonique. Source: Pxhere.
Ce phénomène est observé très régulièrement dans les boissons gazeuses et les eaux gazeuses.
Dans le cas de l'eau gazeuse ou gazeuse (image du haut), une telle quantité de CO 2 s'est dissoute que sa pression de vapeur est plus du double de celle de la pression atmosphérique. Lors du débouchement, la différence de pression à l'intérieur de la bouteille et à l'extérieur diminue la solubilité du CO 2, c'est pourquoi des bulles apparaissent qui finissent par s'échapper du liquide.
Dans une moindre mesure, la même chose se produit dans n'importe quel plan d'eau douce ou saline: lorsqu'ils sont chauffés, ils libèrent leur teneur en CO 2 dissous.
Cependant, le CO 2 n'est pas seulement dissous, mais subit des transformations dans sa molécule qui le transforment en H 2 CO 3; un acide qui a une durée de vie trop courte, mais suffisante pour marquer un changement mesurable du pH de son milieu solvant aqueux, et également générer un système de tampon carbonate unique.
Structure
Molécule
Molécule d'acide carbonique représentée par un modèle de sphères et de barres. Source: Jynto et Ben Mills via Wikipedia.
Au-dessus, nous avons la molécule H 2 CO 3, représentée par des sphères et des barres. Les sphères rouges correspondent aux atomes d'oxygène, le noir à l'atome de carbone et le blanc aux atomes d'hydrogène.
Notez qu'à partir de l'image, vous pouvez écrire une autre formule valide pour cet acide: CO (OH) 2, où CO devient le groupe carbonyle, C = O, lié à deux groupes hydroxyle, OH. Comme il existe deux groupes OH, capables de donner leurs atomes d'hydrogène, on comprend maintenant d'où proviennent les ions H + libérés dans l'environnement.
Structure moléculaire de l'acide carbonique.
Notez également que la formule CO (OH) 2 peut s'écrire OHCOOH; c'est-à-dire de type RCOOH, où R est dans ce cas un groupe OH.
C'est pour cette raison, en plus du fait que la molécule est constituée d'atomes d'oxygène, d'hydrogène et de carbone, trop courants en chimie organique, que l'acide carbonique est considéré par certains comme un composé organique. Cependant, dans la section sur sa synthèse, il sera expliqué pourquoi d'autres le considèrent comme étant de nature inorganique et non organique.
Interactions moléculaires
De la molécule H 2 CO 3, on peut dire que sa géométrie est plan trigonal, le carbone étant situé au centre du triangle. Dans deux de ses sommets, il a des groupes OH, qui sont des donneurs de liaisons hydrogène; et dans l'autre restant, un atome d'oxygène du groupe C = O, accepteur de liaisons hydrogène.
Ainsi, H 2 CO 3 a une forte tendance à interagir avec des solvants protiques ou oxygénés (et azotés).
Et par coïncidence, l'eau remplit ces deux caractéristiques, et l'affinité de H 2 CO 3 pour elle est telle qu'elle abandonne presque immédiatement un H + et un équilibre d'hydrolyse commence à s'établir qui implique les espèces HCO 3 - et H 3 O. +.
C'est pourquoi la simple présence d'eau décompose l'acide carbonique et rend trop difficile son isolement en tant que composé pur.
Acide carbonique pur
En revenant à la molécule H 2 CO 3, elle est non seulement plate, capable d'établir des liaisons hydrogène, mais elle peut aussi présenter une isomérie cis-trans; C'est, dans l'image, nous avons l'isomère cis, avec les deux H pointant dans la même direction, tandis que dans l'isomère trans, ils pointeraient dans des directions opposées.
L'isomère cis est le plus stable des deux, et c'est pourquoi c'est le seul qui est généralement représenté.
Un solide pur de H 2 CO 3 est constitué d'une structure cristalline composée de couches ou nappes de molécules interagissant avec des liaisons hydrogène latérales. Il faut s'y attendre, la molécule H 2 CO 3 étant plate et triangulaire. Lorsqu'il se sublime, apparaissent des dimères cycliques (H 2 CO 3) 2, qui sont reliés par deux liaisons hydrogène C = O-OH.
La symétrie des cristaux de H 2 CO 3 n'a pas été définie pour le moment. Il a été considéré comme cristallisant sous forme de deux polymorphes: α-H 2 CO 3 et β-H 2 CO 3. Cependant, l'a-H 2 CO 3, synthétisé à partir d'un mélange de CH 3 COOH-CO 2, s'est avéré être en fait du CH 3 OCOOH: un ester monométhylique de l'acide carbonique.
Propriétés
Il a été mentionné que H 2 CO 3 est un acide diprotique, il peut donc donner deux ions H + à un milieu qui les accepte. Lorsque ce milieu est de l'eau, les équations de sa dissociation ou de son hydrolyse sont:
H 2 CO 3 (aq) + H 2 O (l) <=> HCO 3 - (aq) + H 3 O + (aq) (Ka 1 = 2,5 × 10 −4)
HCO 3 - (aq) + H 2 O (l) <=> CO 3 2- (aq) + H 3 O + (aq) (Ka 2 = 4,69 × 10 −11)
HCO 3 - est l'anion bicarbonate ou hydrogénocarbonate, et CO 3 2- l'anion carbonate. Leurs constantes d'équilibre respectives, Ka 1 et Ka 2, sont également indiquées. Puisque Ka 2 est cinq millions de fois plus petit que Ka 1, la formation et la concentration de CO 3 2- sont négligeables.
Ainsi, même s'il s'agit d'un acide diprotique, le deuxième H + peut à peine le libérer de manière appréciable. Cependant, la présence de CO 2 dissous en grande quantité suffit à acidifier le milieu; dans ce cas, l'eau, abaissant ses valeurs de pH (en dessous de 7).
Parler d'acide carbonique, c'est se référer pratiquement à une solution aqueuse où les espèces HCO 3 - et H 3 O + prédominent; il ne peut pas être isolé par des méthodes conventionnelles, car la moindre tentative déplacerait l'équilibre de solubilité du CO 2 vers la formation de bulles qui s'échapperaient de l'eau.
Synthèse
Dissolution
L'acide carbonique est l'un des composés les plus faciles à synthétiser. Comment? La méthode la plus simple consiste à faire bouillonner, à l'aide d'une paille ou d'une paille, l'air que nous expirons dans un volume d'eau. Parce que nous expirons essentiellement du CO 2, il bouillonnera dans l'eau, en dissolvant une petite partie.
Lorsque nous faisons cela, la réaction suivante se produit:
CO 2 (g) + H 2 O (l) <=> H 2 CO 3 (aq)
Mais à son tour, la solubilité du CO 2 dans l'eau doit être prise en compte:
CO 2 (g) <=> CO 2 (aq)
Le CO 2 et le H 2 O sont des molécules inorganiques, donc le H 2 CO 3 est inorganique de ce point de vue.
Équilibre liquide-vapeur
En conséquence, nous avons un système d'équilibre qui dépend fortement des pressions partielles de CO 2, ainsi que de la température du liquide.
Par exemple, si la pression de CO 2 augmente (dans le cas où l'on souffle l'air avec plus de force à travers la paille), plus de H 2 CO 3 se formera et le pH deviendra plus acide; depuis, le premier équilibre se déplace vers la droite.
En revanche, si l'on chauffe la solution H 2 CO 3, la solubilité du CO 2 dans l'eau va diminuer car c'est un gaz, et l'équilibre se déplacera alors vers la gauche (il y aura moins de H 2 CO 3). Il en sera de même si nous essayons d'appliquer un vide: le CO 2 s'échappera ainsi que les molécules d'eau, ce qui déplacerait à nouveau l'équilibre vers la gauche.
Solide pur
Ce qui précède nous permet de tirer une conclusion: à partir d'une solution de H 2 CO 3, il n'y a aucun moyen de synthétiser cet acide sous forme de solide pur par une méthode conventionnelle. Cependant, cela se fait, depuis les années 90 du siècle dernier, à partir de mélanges solides de CO 2 et H 2 O.
Ce mélange solide de 50% CO 2 -H 2 O est bombardé de protons (un type de rayonnement cosmique), de sorte qu'aucun des deux composants ne s'échappe et la formation de H 2 CO 3 se produit. A cet effet, un mélange CH 3 OH-CO 2 a également été utilisé (rappelons α-H 2 CO 3).
Une autre méthode consiste à faire la même chose mais en utilisant directement de la glace sèche, rien de plus.
À partir des trois méthodes, les scientifiques de la NASA ont pu parvenir à une conclusion: de l'acide carbonique pur, solide ou gazeux, peut exister dans les satellites glacés de Jupiter, dans les glaciers martiens et dans les comètes, où de tels mélanges solides sont constamment irradiés. par les rayons cosmiques.
Applications
L'acide carbonique en lui-même est un composé inutile. A partir de leurs solutions, cependant, des solutions tampons basées sur les paires HCO 3 - / CO 3 2- ou H 2 CO 3 / HCO 3 - peuvent être préparées.
Grâce à ces solutions et à l'action de l'enzyme anhydrase carbonique, présente dans les globules rouges, le CO 2 produit lors de la respiration peut être transporté dans le sang vers les poumons, où il est finalement libéré pour être expiré hors de notre corps.
Le bouillonnement de CO 2 est utilisé pour donner aux boissons gazeuses la sensation agréable et caractéristique qu'elles laissent dans la gorge en les buvant.
De même, la présence de H 2 CO 3 a une importance géologique dans la formation des stalactites calcaires, car elle les dissout lentement jusqu'à ce qu'elles produisent leurs finitions pointues.
Et d'autre part, ses solutions peuvent être utilisées pour préparer certains bicarbonates métalliques; bien que pour cela il soit plus rentable et plus facile d'utiliser directement un sel de bicarbonate (NaHCO 3, par exemple).
Des risques
L'acide carbonique a une durée de vie si négligeable dans des conditions normales (ils estiment à environ 300 nanosecondes) qu'il est pratiquement inoffensif pour l'environnement et les êtres vivants. Cependant, comme dit précédemment, cela n'implique pas qu'il ne peut pas générer un changement inquiétant du pH de l'eau de mer, affectant la faune marine.
En revanche, le vrai «risque» se trouve dans l'apport d'eau gazeuse, car la quantité de CO 2 dissous dans celles-ci est beaucoup plus élevée que dans l'eau normale. Cependant, et encore une fois, aucune étude n'a montré que la consommation d'eau gazeuse présente un risque mortel; s'ils le recommandent même pour jeûner et combattre l'indigestion.
Le seul effet négatif observé chez ceux qui boivent cette eau est la sensation de satiété, car leur estomac se remplit de gaz. En dehors de cela (sans parler des sodas, car ils sont constitués de bien plus que de l'acide carbonique), on peut dire que ce composé n'est pas du tout toxique.
Références
- Day, R. et Underwood, A. (1989). Quantitative Analytical Chemistry (cinquième éd.). PEARSON Prentice Hall.
- Shiver et Atkins. (2008). Chimie inorganique. (Quatrième édition). Mc Graw Hill.
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- Danielle Reid. (2019). Acide carbonique: vidéo sur la formation, la structure et l'équation chimique. Étude. Récupéré de: study.com
- Götz Bucher et Wolfram Sander. (2014). Clarifier la structure de l'acide carbonique. Vol.346, Numéro 6209, p. 544-545. DOI: 10.1126 / science.1260117
- Lynn Yarris. (22 octobre 2014). Nouvelles connaissances sur l'acide carbonique dans l'eau. Berkeley Lab. Récupéré de: newscenter.lbl.gov
- Claudia Hammond. (2015, 14 septembre). L'eau gazeuse est-elle vraiment mauvaise pour vous? Récupéré de: bbc.com
- Jurgen Bernard. (2014). Acide carbonique solide et gazeux. Institut de chimie physique. Université d'Innsbruck.