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Acido carbonico
composto chimico Da Wikipedia, l'enciclopedia libera
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L'acido carbonico è un composto chimico di formula H2CO3 che in condizioni standard si presenta in fase solida.[3]
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Storia
Riepilogo
Prospettiva
Il diossido di carbonio ha avuto diversi nomi nel corso della storia. Nel 1781, Lavoisier e i suoi colleghi lo definirono "acido carbonico", legando il nome alla combustione del carbone. Inizialmente, gli acidi venivano riconosciuti per il loro sapore distintivo e la capacità di virare la cartina al tornasole. Col tempo, il concetto di acido si evolse grazie agli studi di Davy e Berzelius, che ne evidenziarono il ruolo centrale dell'idrogeno.[4]
Già all'inizio del XIX secolo, il termine "diossido di carbonio" era diffuso, e si capì che definire CO₂ "acido carbonico" era errato. Tuttavia, l'esistenza dell'H₂CO₃ fu postulata, poiché si conoscevano i carbonati e i bicarbonati, ma non il loro acido corrispondente. Laurent affermò che H₂CO₃ si decomponesse immediatamente in H₂O e CO₂, senza poter essere isolato.[5]
Nonostante ciò, il termine "acido carbonico" continuò a essere usato per riferirsi alla CO₂, anche da scienziati illustri come Tyndall e Arrhenius. Solo alla fine del XIX secolo il nome fu definitivamente sostituito con "anidride carbonica".[6]
Nel XX secolo, furono condotti studi approfonditi sull'equilibrio e la cinetica del sistema CO₂/H₂O, ma la sintesi di H₂CO₃ rimase una sfida. Solo negli anni '60 furono riportati primi tentativi di sintesi, ma con risultati incerti. Nel 1987 si riuscì a identificarlo tramite spettrometria di massa, e negli anni '90 furono sviluppate tecniche criogeniche per ottenerlo in forma solida.[7]
Nonostante queste scoperte, il ruolo esatto dell'H₂CO₃ in soluzione acquosa è ancora dibattuto. Il modello tradizionale ipotizza che si formi e si dissoci successivamente, ma studi più recenti suggeriscono che la reazione potrebbe avvenire direttamente, senza un intermediario definito.[8]
In passato il composto veniva chiamato spirito silvestre, aria fissa o aria metifica.[9]
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Caratteristiche strutturali e fisiche
Riepilogo
Prospettiva
- un acido organico
- un ossiacido del carbonio,
- un acido dioico
- l'acido coniugato dell'idrogenocarbonato
La caratterizzazione del composto è stata principalmente effettuata con metodi spettroscopici, in particolare utilizzando la spettroscopia infrarossa. Ne sono stati ipotizzati due polimorfi denominati α e β, basandosi su tecniche a matrice IR, ma solo recentemente è stato chiarito che "α-H₂CO₃" è in realtà un monometil estere dell'H₂CO₃, mentre β-H₂CO₃ è l'unica forma conosciuta dell'acido carbonico.[12]
Nonostante la sua importanza fondamentale in biochimica e geochimica, la struttura cristallina dell'acido carbonico rimane sconosciuta, a causa delle difficoltà sperimentali. Sono stati fatti tentativi teorici basati sulla teoria del funzionale della densità (DFT), prevedendo una simmetria ortorombica Pnma a circa 1 GPa di pressione, sebbene studi successivi abbiano proposto una cella unitaria con simmetria triclina per le fasi ad alta pressione di acqua e CO₂.[13]
| N. di atomi pesanti | |
| N. di donatori di legami a idrogeno | 2 |
| N. di accettori di legami a idrogeno | 3 |
| Massa monoisotopica | 62,000393922 u |
| Superficie polare | 57,5 Ų |
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Abbondanza e disponibilità
Il composto non esiste allo stato libero, bensì solo come sale (carbonati), sali acidi (bicarbonati), ammine (acido carbammico) e cloruri acidi (fosgene).[10]
L'elevata concentrazione di CO₂ nel suolo stimola l'alterazione dell'acido carbonico sulle superfici minerali, favorendo così un significativo scambio di cationi e la dissoluzione dei minerali. L'alterazione dell'acido carbonico coinvolge tutte e tre le fasi del sistema del suolo: il CO₂ nella fase gassosa, l'acido carbonico e gli ioni associati nella fase liquida, e nella fase solida, i protoni e i carbonati interagiscono con lo scambio di cationi, le superfici minerali e le strutture minerali.[15]
Gli animali producono acido carbonico consumando ossigeno (respirazione), mentre le piante producono ossigeno consumando acido carbonico (fotosintesi).[16] L'acido carbonico si forma inoltre durante la fermentazione di vino[17] e birra, ovvero dalla decomposizione della materia organica.[9] L'acido carbonico è responsabile dell'acidità delle uova.[18]
Sintesi
L'acido carbonico si ottiene dalle seguenti reazioni:
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Reattività e caratteristiche chimiche
Riepilogo
Prospettiva
Il composto si comporta come acido debole di Brønsted[11] ed è un agente acidificante efficace anche a pH relativamente bassi.[15] Si forma nell'acqua a partire dall'anidride carbonica per idratazione del gas, ma la velocità di questa reazione è bassa, mentre la costante di velocità della reazione di decomposizione dell'acido carbonico, in soluzioni acquose, in CO₂ e H₂O, risulta essere del primo ordine e corrisponde a una durata di circa 60 ms a temperatura ambiente.[20][21][22]
La straordinaria stabilità cinetica dell'acido carbonico, privo di qualsiasi molecola coordinante, è stata dimostrata sia sperimentalmente che attraverso la chimica quantistica, incluso il ruolo cruciale delle molecole d'acqua in eccesso nel catalizzare la decomposizione dell'H₂CO₃, un processo essenzialmente autocatalitico.[23]
L'acido carbonico reagisce con il calcare a formare il bicarbonato di calcio:
L'aggressione dell'acido carbonico e la successiva dissoluzione del bicarbonato è inversamente proporzionale dalla temperatura e direttamente proporzionale alla concentrazione di anidride carbonica nell'aria.[24]
Spettro analitico
Derivati
- Fosgene
- Urea
- Dimetilcarbonato
- Dietilcarbonato
- Acido tritiocarbonico
- Acido triselenocarbonico
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Biochimica
Riepilogo
Prospettiva
A livello cellulare è possibile trovarlo nel citoplasma, nei mitocondri e nella matrice extracellulare.[3] È il tampone più importante nel plasma sanguigno (pH 7,4),[26][27][28] così come nei mari e negli oceani (pH ≈ 8).[29]
Essendo l'anidride carbonica il principale prodotto di scarto della decarbossilazione di amminoacidi e chetoacidi e, in quantità maggiori, del ciclo di Krebs come prodotto ultimo dell'ossidazione del carbonio degli zuccheri, dei grassi e delle proteine a fine energetico, questa viene trasformata in anioni idrogenocarbonato e in minima misura carbonato che viene trasportato dai globuli rossi nei polmoni per essere eliminato attraverso la respirazione.[30]
La reazione avviene troppo lentamente per essere utile: viene quindi catalizzata dall'anidrasi carbonica, enzima presente nei globuli rossi che a loro volta immagazzinano all'interno l'acido per rilasciarlo dove la pCO2 si abbassa. Questo processo prende parte agli scambi gassosi cellulari durante la respirazione e alla regolazione del pH del sangue.[30] In condizioni fisiologiche il rapporto bicarbonato/acido carbonico è di 20:1. Nel sangue, l'aumento di acido carbonico porta ad un aumento dell'anidride carbonica.[31]
Il tampone bicarbonato/acido carbonico è attivo sia a livello polmonare sia renale.[32] Inoltre, la stessa situazione si verifica nei vasi che circondano la vescica natatoria dei pesci e comporta lo svuotamento e il riempimento della cavità, con conseguente aumento o diminuzione della densità totale e quindi della galleggiabilità.[33]
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Applicazioni
Viene utilizzato:
- nella preparazione di bevande gasate,[34]
- nella precipitazione dei sali d'ammonio
- nelle soluzioni per la pulizia delle lenti a contatto
- come tampone in diversi processi di produzione industriale[35]
Note
Altri progetti
Collegamenti esterni
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