حمض الكربونيك

حمض الكربونيك هو الحمض يوجد في المحاليل الناتجة عن حل غاز ثنائي أكسيد الكربون في الماء، وله الصيغة الكيميائية H₂CO₃. أملاح حمض الكربونيك هي البيكربونات ^-HCO₃ والكربونات ‏ CO₃²⁻ ، وهو من الأحماض الضعيفة. يلعب حمض الكربونيك دوراً أساسياً في ضبط pH الوسط بالنسبة للماء والدم في الجسم.

حمض الكربونيك
حمض الكربونيك	حمض الكربونيك
الاسم النظامي (IUPAC)
حمض الكربونيك
المعرفات
رقم CAS	463-79-6
بوب كيم (PubChem)	747
مواصفات الإدخال النصي المبسط للجزيئات C(=O)(O)O
المعرف الكيميائي الدولي InChI=1S/CH2O3/c2-1(3)4/h(H2,2,3,4)  InChIKey:BVKZGUZCCUSVTD-UHFFFAOYSA-N
الخواص
الصيغة الجزيئية	H2CO3
الكتلة المولية	62.03 غ/مول
المظهر	يوجد فقط على شكل محلول
حموضة (pKa)	6.37
في حال عدم ورود غير ذلك فإن البيانات الواردة أعلاه معطاة بالحالة القياسية (عند 25 °س و 100 كيلوباسكال)

التحضير

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 K_h= 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 pK_a 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.

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 $\scriptstyle p_{CO_{2}}$ 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 $\scriptstyle K_{h}={\frac {[H_{2}CO_{3}]}{[CO_{2}]}}$، وباعتماد العلاقة التالية بين غاز CO₂ المنحل و CO₂ الغازي الموجود فوق المحلول:

CO₂(غاز) ↔ CO₂(محلول) حيث $\scriptstyle {\frac {[CO_{2}]}{p_{CO_{2}}}}={\frac {1}{k_{\mathrm {H} }}}$ حيث k_H=29.76 atm/(mol/L) عند 25 °C (ثابت هنري🗯🗯)

إن معادلات التوازن بالإضافة إلى العلاقة $\scriptstyle [H^{+}][OH^{-}]=10^{-14}$ وعلاقة الاعتدال لحمض الكربونيك $\scriptstyle [H^{+}]=[OH^{-}]+[HCO_{3}^{-}]+2[CO_{3}^{2-}]$ 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 $\scriptstyle p_{CO_{2}}$.

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:

$\scriptstyle P_{CO_{2}}$ (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 pK_a2، أي أن تركيز CO₃²⁻ دوما أقل من تركيز ^-HCO₃ .
• عند تناقص قيمة $\scriptstyle p_{CO_{2}}$ (ضغوط منخفضة) فإن pH الوسط يصبح قريباً من تلك للماء (pH = 7)، ويكون الشكل السائد هو^-HCO₃.
• عند الضغط الجوي النظامي ($\scriptstyle P_{CO_{2}}=3.5\times 10^{-4}$ 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 ($\scriptstyle P_{CO_{2}}$ ~ 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

$\scriptstyle [H^{+}]\simeq \left(10^{-14}+{\frac {K_{h}K_{a1}}{k_{\mathrm {H} }}}p_{CO_{2}}\right)^{1/2}$

اقرأ أيضا

• حمض الكبريتيك
• بيكربونات
• كبريتات