Ácido carbónico

_El ácido carbónico es un compuesto químico con la fórmula química H₂CO₃ _. La molécula se convierte rápidamente en agua y dióxido de carbono en presencia de agua. ^{[ 5 ] A diferencia de los libros de texto} de principios del siglo XX , ^{[ 6 ]} numerosos estudios realizados desde aproximadamente 1990 identificaron _el H₂CO₃ como una _molécula real con un espectro Raman distintivo y con una vida media de primer orden ^de aproximadamente 20 ms a 37 °C. ^[ 8 ^{] También se} ha aislado ácido carbónico anhidro sólido. ^{[ 9 ]}

La interconversión de dióxido de carbono y ácido carbónico está relacionada con el proceso respiratorio de todos los organismos aerobios y con la acidificación de las aguas naturales . ^{[ 4 ]}

En los albores de la química, el CO₂ _recibió múltiples nombres. Un grupo de químicos, liderado por Lavoisier, sistematizó la nomenclatura de las sustancias químicas conocidas en aquel entonces. _El CO₂ fue denominado "ácido carbónico" en 1781, debido a que se producía por la combustión del carbón vegetal ( charbon en francés) y se consideraba un ácido. En aquella época, un ácido era una sustancia que, al disolverse en agua, producía un color rojo en la prueba del tornasol y un sabor ácido característico. Posteriormente, los químicos redefinieron el concepto de "ácido" y dejaron de considerar _{al CO₂} como tal; en su lugar, "ácido carbónico" se convirtió en el nombre sistemático del H₂CO₃. Se creía que el H₂CO₃ _no podía _existir de forma _{independiente} , sino únicamente en disolución. ^{[ 6 ]}

En la década de 1960, los experimentadores produjeron aductos de H₂CO₃ _{. El} aducto de dietil _éter H₂CO₃ · O ₍ CH₂CH₃ ) _₂ se preparó _a -78 _° C. ^{[ 10 ]} El aducto de dimetil éter H₂CO₃ · _O (CH₃ ₎ ₂ se sintetizó a -30 °C utilizando dimetil éter y _carbonato de sodio , y se confirmó mediante métodos químicos, termoquímicos, IR y _RMN . El H₂CO₃·O(CH₃)₂ puro es un sólido que _{se descompone a 5} °C. ^{[ 11 ]}

En 1987, se preparó H₂CO₃ gaseoso mediante termólisis _de NH₄HCO₃ y se confirmó mediante _{espectrometría de} masas por _activación de IR y colisión . [ 12 ] ^{En 1991 ,} se preparó H₂CO₃ sólido mediante irradiación en estado sólido de una mezcla de hielo 1:1 de _{H₂O + CO₂} a 20 _K. [ ₁₃ ^{] El resultado} de esta ruta de preparación se denomina α-H₂CO₃ _. Otra ruta de síntesis consistía en comenzar haciendo reaccionar HBr y KHCO₃ en una solución acuosa, y luego _sublimar el _agua a 200 K. Confirmado por espectroscopia FTIR . ^{[ 6 ]} El resultado de esta ruta de preparación se denomina β- _{H₂CO₃ .} Sin embargo, posteriormente se argumentó que α- H₂CO₃ era (CH₃ _{) O} ⁽ COOH)₂ _, un éster monometílico. ^{[ 14} ]

_Esto plantea la cuestión de por qué _el H₂CO₃ tiene una "estabilidad cinética sorprendente" y por qué se tardó tanto en aislar el H₂CO₃ en estado sólido. Una explicación basada en _la teoría _del estado de transición es que el H₂CO₃ puro _es , _de hecho , bastante metaestable . A 300 K, su vida media teórica se predice en aproximadamente 10⁵ ^{años , pero en presencia de dos moléculas de} agua disminuye a aproximadamente 1 minuto. En resumen, el agua cataliza la _{descomposición} del H₂CO₃ . ^[ ₅ ^]

Según cálculos de química cuántica, a temperatura ambiente (300 K), se espera que el ácido carbónico puro sea un gas cinéticamente estable. ^{[ 5 ]} Existen dos métodos principales para producir ácido carbónico anhidro : la reacción de cloruro de hidrógeno y bicarbonato de potasio a 100  K en metanol y la irradiación con protones de dióxido de carbono sólido puro . ^{[ 2 ]} Químicamente, se comporta como un ácido de Brønsted diprótico . ^{[ 15 ] [ 16 ] [ 17 ]}

Los monómeros del ácido carbónico presentan tres isómeros conformacionales : cis-cis, cis-trans y trans-trans. ^{[ 18 ] [ 19 ]}

A baja temperatura y presión atmosférica , el ácido carbónico sólido es amorfo y carece de picos de Bragg en la difracción de rayos X. ^{[ 17 ]} Pero a alta presión, el ácido carbónico cristaliza, y la espectroscopia analítica moderna puede medir su geometría, ^{[ 4 ] [ 17 ]} que bajo ciertas condiciones tiene el grupo espacial Cmc2 ₁ . ^{[ 9 ]}

Según la difracción de neutrones del ácido carbónico dideuterado ( D₂ CO₃ ) en una celda híbrida sujeta (aleación rusa de Ni-Cr-Al/cobre-berilio) a 1,85 GPa, las moléculas son planas y formandímerosunidos por pares deenlaces de hidrógeno. Los tresenlaces COson casi equidistantes a 1,34Å, intermedios entre las distancias típicas de CO y C=O (1,43 y 1,23Å respectivamente). Las inusuales longitudes de enlace CO se atribuyen alenlace πen el centro de la molécula y a enlaces de hidrógeno extraordinariamente fuertes. Los mismos efectos también inducen una separación O—O muy corta (2,13Å), a través delánguloimpuesto por los anillos de 8 miembros con doble enlace de hidrógeno. El cristal tiene el grupo espacialP2₁/C. ^{[ 4 ]} Se observan distancias O—O más largas en enlaces de hidrógeno intramoleculares fuertes, por ejemplo enel ácido oxálico, donde las distancias superan los 2,4Å. ^{[ 17 ]} Se predice que los trímeros y los polímeros superiores son aún más estables. Basándose en la estabilidad, se sugirió que el ácido carbónico sólido puede utilizarse parasecuestrar carbono. ^{[ 20 ] [ 9 ]}    

En presencia incluso de una pequeña cantidad de agua, el ácido carbónico se deshidrata en dióxido de carbono y agua , lo que luego cataliza una mayor descomposición. ^{[ 5 ]}

La constante de equilibrio de hidratación a 25 °C es [ H ₂ CO₃ ]/[CO₂] ≈ 1,7×10⁻³en agua pura ^{[ 21 ]} y ≈ 1,2×10⁻³enagua de mar. ^{[ 22 ]} Por lo tanto, la mayor parte del dióxido de carbono en las interfaces aire-aguageofísicas o biológicasno se convierte en ácido carbónico, permaneciendo comogasCO₂no catalizadose alcanza bastante lentamente: lasconstantes de velocidadson 0,039s⁻¹para la hidratación y 23s⁻¹para la deshidratación.  

El ácido carbónico es el ácido conjugado formal de Brønsted-Lowry del anión bicarbonato , estable en solución alcalina . Las constantes de protonación se han medido con gran precisión, pero dependen de la fuerza iónica total I. Los dos equilibrios que se miden con mayor facilidad son los siguientes:$${\displaystyle {\begin{aligned}{\ce {CO3^{2-}{}+ H+{}<=> HCO3^-}}&&\beta _{1}={\frac {[{\ce {HCO3^-}}]}{[{\ce {H+}}][{\ce {CO3^{2-}}}]}}\\{\ce {CO3^{2-}{}+ 2H+{}<=> H2CO3}}&&\beta _{2}={\frac {[{\ce {H2CO3}}]}{[{\ce {H+}}]^{2}[{\ce {CO3^{2-}}}]}}\end{aligned}}}$$donde los corchetes indican la concentración de especies . A 25  °C, estos equilibrios satisfacen empíricamente ^{[ 29 ].}$${\displaystyle {\begin{alignedat}{6}\log(\beta _{1})=&&0&.54&I^{2}-0&.96&I+&&9&.93\\\log(\beta _{2})=&&-2&.5&I^{2}-0&.043&I+&&16&.07\end{alignedat}}}$$log( β ₁ ) disminuye al aumentar I , al igual que log( β ₂ ) . En una solución sin otros iones (por ejemplo, I = 0 ), estas curvas implican las siguientes constantes de disociación escalonadas :$${\displaystyle {\begin{alignedat}{3}p{\text{K}}_{1}&=\log(\beta _{2})-\log(\beta _{1})&=6.77\\p{\text{K}}_{2}&=\log(\beta _{1})&=9.93\end{alignedat}}}$$Los valores directos para estas constantes en la literatura incluyen p K ₁ = 6,35 y p K ₂ - p K ₁ = 3,49 . ^{[ 30 ]}

Para interpretar estas cifras, tenga en cuenta que dos especies químicas en equilibrio ácido están equiconcentradas cuando p K = pH . En particular, el fluido extracelular ( citosol ) en los sistemas biológicos presenta un pH ≈ 7,2 , por lo que el ácido carbónico estará casi disociado en un 50 % en el equilibrio.

acidificación de los océanos

El gráfico de Bjerrum muestra concentraciones típicas de equilibrio, en solución, en agua de mar , de dióxido de carbono y las diversas especies derivadas de él, como función del pH . ^{[ 15 ] [ 16 ]} A medida que la industrialización humana ha aumentado la proporción de dióxido de carbono en la atmósfera terrestre , se espera que la proporción de dióxido de carbono disuelto en agua de mar y agua dulce como ácido carbónico también aumente. Se espera que este aumento en el ácido disuelto también acidifique esas aguas, generando una disminución en el pH. ^{[ 31 ] [ 32 ]} Se ha estimado que el aumento en el dióxido de carbono disuelto ya ha causado que el pH promedio de la superficie del océano disminuya en aproximadamente 0,1 con respecto a los niveles históricos preindustriales.

•  " Clima y ácido carbónico " en Popular Science Monthly, volumen 59, julio de 1901.
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• Jolly, WL (1991). Química inorgánica moderna (2.ª  ed.). McGraw-Hill. ISBN 978-0-07-112651-9.
• Moore, MH; Khanna, R. (1991). "Estudios de espectroscopia infrarroja y de masas del hielo de H₂O+CO₂ irradiado con protones _: evidencia _de ácido carbónico" . Spectrochimica Acta . 47A (2): 255–262 . Bibcode : 1991AcSpA..47..255M . doi : 10.1016/0584-8539(91)80097-3 .
• W. Hage, KR Liedl; Liedl, E.; Hallbrucker, A; Mayer, E (1998). "Ácido carbónico en fase gaseosa y su relevancia astrofísica". Science . 279 (5355): 1332– 5. Bibcode : 1998Sci...279.1332H . doi : 10.1126/science.279.5355.1332 . PMID 9478889 . 
• Hage, W.; Hallbrucker, A.; Mayer, E. (1995). "Un polimorfo del ácido carbónico y su posible relevancia astrofísica". J. Chem. Soc. Faraday Trans. 91 (17): 2823– 6. Bibcode : 1995JCSFT..91.2823H . doi : 10.1039/ft9959102823 .

• Equilibrio ácido carbónico/bicarbonato/carbonato en agua: pH de las soluciones, capacidad tampón, titulación y distribución de especies en función del pH, calculado con una hoja de cálculo gratuita.
• Cómo calcular la concentración de ácido carbónico en el agua.