حمض الكربونيك

هذا المقال يتضمن أسماءً أعجمية تتطلب حروفاً إضافية (پ چ ژ گ ڤ ڠ).
لمطالعة نسخة مبسطة، بدون حروف إضافية
حمض الكربونيك
Structural formula
Ball-and-stick model
الأسماء
اسم أيوپاك
حمض الكربونيك
أسماء أخرى
حمض ثاني أكسيد الكربون؛ Dihydrogen carbonate; acid of air; Aerial acid; Hydroxymethanoic acid
تمييز
رقم CAS [463-79-6]
KEGG C01353
ChEBI 28976
SMILES
InChI InChI=1/CH2O3/c2-1(3)4/h(H2,2,3,4)
الخصائص
الصيغة الجزيئية H2CO3
كتلة مولية 62.03 g/mol
الكثافة 1.668 g/cm3
قابلية الذوبان في الماء Exists only in solution
الحموضة (pKa) 6.367 (pKa1), 10.32 (pKa2)
ما لم يُذكر غير ذلك، البيانات المعطاة للمواد في حالاتهم العيارية (عند 25 °س [77 °ف]، 100 kPa).
YesY verify (what is YesYX mark.svgN ?)
مراجع الجدول

حمض الكربونيك Carbonic acid، هو مركب كيميائي صيغته H2CO3 (مكافئOC(OH)2). ويطلق عليه أحياناً محلول ثاني أكسيد الكربون في الماء (ماء مكربون)، لأن مثل هذا النوع من المحاليل يحتوي على كمية ضئيلة من H2CO3. حمض الكربونيك، وهو حمض ضعيف، يشكل نوعين من الأملاح، الكربونات والبيكربونات. في الجيولوجيا، يتسبب حمض الكربونيك في حل الحجر الجيري لينتج بيكربونات الكالسيوم مما يؤدي إلى تكون العديد من تشكيلات الحجر الجيري مثل نوازل الكهوف وصواعد الكهوف.

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

التوازن الكيميائي

إن انحلالية غاز ثنائي أكسيد الكربون في الماء جيدة بالمقارنة بغاز مثل الأكسجين أو النيتروجين. ويتفاعل ثاني أكسيد الكربون مع الماء تفاعلا قليلا (فقط حوالي 0.2% وذلك حسب درجة الحرارة) ويكون في حالة توازن كيميائي معه حسب المعادلة:

CO2 + H2O H2CO3

يكون ثابت توازن تفاعل الإماهة عند الدرجة 25°س Kh= 1.70×10−3، مما يدل على أن قسماً ضئيلا فقط من غاز ثنائي أكسيد الكربون يتحول إلى حمض الكربونيك، في حين أن الباقي يبقى على شكل جزيئات في الماء.


تفاعلات التوازن

كما ذكر أعلاه فإن غاز ثنائي أكسيد الكربون المنحل في الماء يكون على توازن مع حمض الكربونيك:

CO2 + H2O H2CO3 (1)

بما أن حمض الكربونيك حمض ثنائي الوظيفة الحمضية (يملك بروتونين) فإنه تجري له عملية انحلال (تأين أو تشرد) على مرحلتين، في الأولى يتخلى عن واحد من بروتوناته:

H2CO3 + H2O ⇌ HCO3- + H3O + (2)

تكون قيمة ثابت انحلال الحمض pKa في التفاعل أعلاه 3.88، وهي قيمة تقارن مع تلك لحمض الخليك، إلا أنه نتيجة لصعوبة تحديد تركيز حمض الكربونيك الناتج من المعادلة (1)، فإنه يجري جمع كل من المعادلتين (1) و(2) لتعطي المعادلة التالية:

CO2 + 2H2O ⇌ H3O + + HCO3 - (3)

والتي تكون قيمة ثابت انحلال الحمض فيها 6.55، وهي القيمة المقاسة.

في خطوة الانحلال الثانية لحمض الكربونيك تتشكل أملاح الكربونات حسب المعادلة:

HCO3 - + H2O ⇌ CO3 2- + H3O + (4)

يكون لثابت انحلال الحمض في الخطوة الثانية قيمة تبلغ 10.5.

دور حمض الكربونيك في الدم

دور حمض الكربونيك في كيمياء المحيطات

تأثير قيمة الأس الهيدروجيني على تركيب محاليل حمض الكربونيك

عند درجة حرارة معينة فإن تركيب محاليل حمض الكربونيك يتعلق بشكل رئيسي بالضغط الجزئي لغاز ثنائي أكسيد الكربون فوق المحلول. لمعرفة النسب المكونة لحمض الكربونيك حسابياً، يجب الأخذ بعين الاعتبار لكل من ثوابت التوازن بين الأنواع المختلفة الموجودة ضمن المحلول وهي ‏ (H2CO3 و ‏HCO3 و ‏ CO32−)، بالإضافة إلى ثوابت توازن تفاعل الإماهة بين CO2 المنحل وH2CO3 مع اعتبار وجود نسبة ثابتة من ، وباعتماد العلاقة التالية بين غاز CO2 المنحل و CO2 الغازي الموجود فوق المحلول:

CO2(غاز) ↔ CO2(محلول) حيث حيث kH=29.76 atm/(mol/L) عند 25 °C (ثابت هنري)

إن معادلات التوازن بالإضافة إلى العلاقة وعلاقة الاعتدال لحمض الكربونيك تعطي بالنهاية ست معادلات حاوية على ست مجاهيل وهي كل من تركيز [CO2] و [H2CO3] و [+H] و [OH] و [HCO3] و [CO32−]، وتظهر أن تركيب المحلول يعتمد بالإطلاق على .

تكون المعادلة التي تعطي تركيز الهيدرونيوم [+H] معادلة من الدرجة الثالثة (مكعبة)، ويعطي حلها قيمة الأس الهيدروجيني للوسط، وبالتالي يمكن حساب تراكيز المكونات الأخرى كما في الجدول التالي:

(atm) pH [CO2] (mol/L) [H2CO3] (mol/L) [HCO3] (mol/L) [CO32−] (mol/L)
10−8 7.00 3.36 × 10−10 5.71 × 10−13 1.42 × 10−9 7.90 × 10−13
10−6 6.81 3.36 × 10−8 5.71 × 10−11 9.16 × 10−8 3.30 × 10−11
10−4 5.92 3.36 × 10−6 5.71 × 10−9 1.19 × 10−6 5.57 × 10−11
3.5 × 10−4 5.65 1.18 × 10−5 2.00 × 10−8 2.23 × 10−6 5.60 × 10−11
10−3 5.42 3.36 × 10−5 5.71 × 10−8 3.78 × 10−6 5.61 × 10−11
10−2 4.92 3.36 × 10−4 5.71 × 10−7 1.19 × 10−5 5.61 × 10−11
10−1 4.42 3.36 × 10−3 5.71 × 10−6 3.78 × 10−5 5.61 × 10−11
1 3.92 3.36 × 10−2 5.71 × 10−5 1.20 × 10−4 5.61 × 10−11
2.5 3.72 8.40 × 10−2 1.43 × 10−4 1.89 × 10−4 5.61 × 10−11
10 3.42 0.336 5.71 × 10−4 3.78 × 10−4 5.61 × 10−11
خلاصة
  • يظهر أنه ومن خلال مجال واسع من الضغط فإن قيمة الـ pH هي أقل بكثير من قيمة pKa2، أي أن تركيز CO32− دوما أقل من تركيز -HCO3 .
  • عند تناقص قيمة (ضغوط منخفضة) فإن pH الوسط يصبح قريباً من تلك للماء (pH = 7)، ويكون الشكل السائد هو-HCO3.
  • عند الضغط الجوي النظامي ( atm)، نحصل على محلول حمضي خفيف (pH = 5.7)، ويكون الكربون المنحل على شكل CO2. وبارتفاع قيمة الضغط من هذه النقطة فإن تركيز [OH] يصبح أيضاً مهملا بحيث أن القسم المتأين من المحلول عبارة عن محلول بنسبة متساوية من H+ و HCO3.
  • بالنسبة إلى ضغط غاز ثنائي أكسيد الكربون المطبق عادة في علب الكولا ( ~ 2.5 atm)، يكون للأس الهيدروجيني pH قيمة منخفضة نسبياً (وسط حمضي) وبوجود تركيز عال من CO2. لذلك فإن للمشروبات الغازية طعم حامض ولذلك تكون فوارة.
  • عند ضغوط تتراوح بين 2.5 و 10 atm فإن قيمة ال pH تتجاوز قيمة pKa1 ويكون التركيز السائد هو تركيز H2CO3.
  • بإهمال قيمة [CO32−] (حسب ما ورد أعلاه) فإنه من الممكن اشتقاق علاقة تحليلية تعطي تركيز [+H] بالنسبة لمحاليل حمض الكربونيك، وبالتالي تعطي علاقة لتحديد قيمة pH الوسط


. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

الدراسات الطيفية لحمض الكربونيك

انظر أيضاً

المصادر

قراءات إضافية

  • Welch, M. J.; Lifton, J. F.; Seck, J. A. (1969). "Tracer studies with radioactive oxygen-15. Exchange between carbon dioxide and water". J. Phys. Chem. 73 (335): 3351. doi:10.1021/j100844a033.
  • Jolly, W. L. (1991). Modern Inorganic Chemistry (2nd Edn.). New York: McGraw-Hill. ISBN 0-07-112651-1.
  • Moore, M. H.; Khanna, R. (1991). "Infrared and Mass Spectral Studies of Proton Irradiated H2O+Co2 Ice: Evidence for Carbonic Acid Ice: Evidence for Carbonic Acid". Spectrochimica Acta. 47A (2): 255–262. doi:10.1016/0584-8539(91)80097-3.
  • W. Hage, K. R. Liedl; Liedl, E.; Hallbrucker, A; Mayer, E (1998). "Carbonic Acid in the Gas Phase and Its Astrophysical Relevance". Science. 279 (5355): 1332–1335. doi:10.1126/science.279.5355.1332. PMID 9478889.
  • Hage, W.; Hallbrucker, A.; Mayer, E. (1993). "Carbonic Acid: Synthesis by Protonation of Bicarbonate and Ftir Spectroscopic Characterization Via a New Cryogenic Technique". J. Am. Chem. Soc. 115 (18): 8427–8431. doi:10.1021/ja00071a061.
  • Hage, W.; Hallbrucker, A.; Mayer, E. (1995). "A Polymorph of Carbonic Acid and Its Possible Astrophysical Relevance". J. Chem. Soc. Farad. Trans. 91 (17): 2823–2826. doi:10.1039/ft9959102823.


. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

وصلات خارجية

الكلمات الدالة: