Acido carbonico

composto chimico

L'acido carbonico è un composto chimico di formula H2CO3 che in condizioni standard si presenta in fase solida.[3]

Acido carbonico
formula di struttura
formula di struttura
modello 3D della molecola
modello 3D della molecola
Nome IUPAC
Acido triossocarbonico(IV)
Caratteristiche generali
Formula bruta o molecolareH2CO3 oppure CO(OH)2
Massa molecolare (u)62,03 g/mol
AspettoIncolore
Numero CAS463-79-6
Numero EINECS610-295-3
PubChem767, 3614646 e 22639876
SMILES
C(=O)(O)O
Proprietà chimico-fisiche
Densità (kg·m−3, in c.s.)1668
Costante di dissociazione acida a 298 KKa1: 4,3×10−7

Ka2: 5,60×10−11

Solubilità in acqua12,8 mg/mL[1]
Temperatura di fusione720°C[2]
Temperatura di ebollizione333,6 ± 25,0°C
Indicazioni di sicurezza
Simboli di rischio chimico
irritante
attenzione
Frasi H302 - 312 - 315 - 319 - 332 - 335
Consigli P261 - 264 - 264+265 - 270 - 271 - 280 - 301+317 - 302+352 - 304+340 - 305+351+338 - 317 - 319 - 321 - 330

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]

Caratteristiche strutturali e fisiche

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Il composto è:[10][11]

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]

Caratteristiche strutturali[14]
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

Abbondanza e disponibilità

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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

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L'acido carbonico si ottiene dalle seguenti reazioni:

  •   ΔHf° = − 649 ± 42 kJ/mol[19]
  • acido solforico diluito con acqua su polvere di marmo[9]

Reattività e caratteristiche chimiche

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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

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Derivati

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Biochimica

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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]

Applicazioni

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Viene utilizzato:

  1. ^ MERCK INDEX (1996)
  2. ^ http://www.hmdb.ca/metabolites/HMDB0000595
  3. ^ a b Human Metabolome Database: Showing metabocard for Hydrogen carbonate (HMDB0000595), su www.hmdb.ca. URL consultato il 4 maggio 2025.
  4. ^ Fabien Locher, HULIN (Nicole). – L’enseignement et les sciences. L’exemple français au début du XXe siècle, in Histoire de l'éducation, n. 113, 1º gennaio 2007, pp. 180–181, DOI:10.4000/histoire-education.1402. URL consultato il 4 maggio 2025.
  5. ^ Auguste Laurent, Chemical Method, Notation, Classification, & Nomenclature, Routledge, 4 aprile 2023, pp. 265–272, ISBN 978-1-003-00940-5. URL consultato il 4 maggio 2025.
  6. ^ Edward M. Shepard, The Jacksonian Epoch. By <scp>Charles H. Peck</scp>. (New York: Harper and Brothers. 1899. Pp. viii, 472.), in The American Historical Review, vol. 5, n. 1, 1º ottobre 1899, pp. 148–150, DOI:10.1086/ahr/5.1.148. URL consultato il 4 maggio 2025.
  7. ^ Johan K. Terlouw, Carlito B. Lebrilla e Helmut Schwarz, Thermolysis of NH4HCO3—A Simple Route to the Formation of Free Carbonic Acid (H2CO3) in the Gas Phase, in Angewandte Chemie International Edition in English, vol. 26, n. 4, 1987-04, pp. 354–355, DOI:10.1002/anie.198703541. URL consultato il 4 maggio 2025.
  8. ^ AG2023-0309.pdf, su quimicanova.sbq.org.br. URL consultato il 4 maggio 2025.
  9. ^ a b c Domenico Scinà, ELEMENTI DI FISICA PARTICOLARE - VOL II, BoD - Books on Demand, 5 gennaio 2023, ISBN 979-10-419-6278-5. URL consultato il 4 maggio 2025.
  10. ^ a b Carbonic acid - Hazardous Agents | Haz-Map, su haz-map.com. URL consultato il 4 maggio 2025.
  11. ^ a b carbonic acid (CHEBI:28976), su www.ebi.ac.uk. URL consultato il 4 maggio 2025.
  12. ^ Hans Peter Reisenauer, J. Philipp Wagner e Peter R. Schreiner, Gas‐Phase Preparation of Carbonic Acid and Its Monomethyl Ester, in Angewandte Chemie International Edition, vol. 53, n. 44, 4 settembre 2014, pp. 11766–11771, DOI:10.1002/anie.201406969. URL consultato il 4 maggio 2025.
  13. ^ E. H. Abramson, O. Bollengier e J. M. Brown, Water-carbon dioxide solid phase equilibria at pressures above 4 GPa, in Scientific Reports, vol. 7, n. 1, 11 aprile 2017, DOI:10.1038/s41598-017-00915-0. URL consultato il 4 maggio 2025.
  14. ^ (EN) PubChem, Carbonic Acid, su pubchem.ncbi.nlm.nih.gov. URL consultato il 4 maggio 2025.
  15. ^ a b Daniel de B. Richter, Neung-Hwan Oh e Ryan Fimmen, CHAPTER 8 - The Rhizosphere and Soil Formation, Academic Press, 1º gennaio 2007, pp. 179–IN2, DOI:10.1016/b978-012088775-0/50010-0, ISBN 978-0-12-088775-0. URL consultato il 4 maggio 2025.
  16. ^ Lessona Michele, L'aria, BoD - Books on Demand, 14 luglio 2023, ISBN 979-10-418-4258-2. URL consultato il 4 maggio 2025.
  17. ^ Autori Vari, Il Vino: Undici conferenze fatte nell'inverno dell'anno 1880, DigiCat, 23 febbraio 2023. URL consultato il 4 maggio 2025.
  18. ^ Joe Schwarcz, Benzina per la mente. Tutta la chimica intorno a noi, EDIZIONI DEDALO, 2010, ISBN 978-88-220-6816-3. URL consultato il 4 maggio 2025.
  19. ^ G. Gattow e U. Gerwarth, On the Preparation of “Free Carbonic Acid”, in Angewandte Chemie International Edition in English, vol. 4, n. 2, 1965-02, pp. 149–149, DOI:10.1002/anie.196501491. URL consultato il 4 maggio 2025.
  20. ^ G. Alexander Mills e Harold C. Urey, The Kinetics of Isotopic Exchange between Carbon Dioxide, Bicarbonate Ion, Carbonate Ion and Water1, in Journal of the American Chemical Society, vol. 62, n. 5, 1940-05, pp. 1019–1026, DOI:10.1021/ja01862a010. URL consultato il 4 maggio 2025.
  21. ^ F. J. W. Roughton, The Kinetics and Rapid Thermochemistry of Carbonic Acid, in Journal of the American Chemical Society, vol. 63, n. 11, 1941-11, pp. 2930–2934, DOI:10.1021/ja01856a018. URL consultato il 4 maggio 2025.
  22. ^ Chien Ho e Julian M. Sturtevant, The Kinetics of the Hydration of Carbon Dioxide at 25°, in Journal of Biological Chemistry, vol. 238, n. 10, 1963-10, pp. 3499–3501, DOI:10.1016/s0021-9258(18)48695-4. URL consultato il 4 maggio 2025.
  23. ^ Thomas Loerting, Christofer Tautermann e Romano T. Kroemer, <891::aid-anie891>3.0.co;2-e On the Surprising Kinetic Stability of Carbonic Acid (H2CO3), in Angewandte Chemie International Edition, vol. 39, n. 5, 3 marzo 2000, pp. 891–894, DOI:10.1002/(sici)1521-3773(20000303)39:5<891::aid-anie891>3.0.co;2-e. URL consultato il 4 maggio 2025.
  24. ^ Paolo Gasparoli, Le superfici esterne degli edifici: degradi, criteri di progetto, tecniche di manutenzione, Alinea Editrice, 2002, ISBN 978-88-8125-612-9. URL consultato il 4 maggio 2025.
  25. ^ METHYLIUM, TRIHYDROXY- - Optional[13C NMR] - Chemical Shifts - SpectraBase, su spectrabase.com. URL consultato il 4 maggio 2025.
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  28. ^ Pamela Shaw, Ross and Wilson Anatomy and Physiology in Health and Illness – Twelfth edition Waugh Anne and Grant Allison Ross and Wilson Anatomy and Physiology in Health and Illness – Twelfth edition 528pp £31.99 Elsevier 978 0 7020 5325 2 0702053252, in Nursing Standard, vol. 28, n. 49, 6 agosto 2014, pp. 32–32, DOI:10.7748/ns.28.49.32.s38. URL consultato il 4 maggio 2025.
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  30. ^ a b Anika Niambi Al-Shura, 5 - Hemoglobin, Academic Press, 1º gennaio 2020, pp. 27–32, DOI:10.1016/b978-0-12-817572-9.00005-7, ISBN 978-0-12-817572-9. URL consultato il 4 maggio 2025.
  31. ^ Roberta Garozzo, Lezioni di Biochimica, Youcanprint, 13 novembre 2018, ISBN 978-88-278-2363-7. URL consultato il 4 maggio 2025.
  32. ^ Kathryn McCance e Sue Huether, Fisiopatologia ed elementi di patologia generale, Edra, 12 settembre 2016, ISBN 978-88-214-4163-9. URL consultato il 4 maggio 2025.
  33. ^ (EN) Bernd Pelster e Peter Scheid, Countercurrent Concentration and Gas Secretion in the Fish Swim Bladder, in Ecological and evolutionary physiology, vol. 65, n. 1, Gennaio-febbraio 1992.
  34. ^ (EN) Carbonic acid | 463-79-6, su ChemicalBook. URL consultato il 4 maggio 2025.
  35. ^ The Chemical Name, Properties and Uses of H2CO3_Chemicalbook, su www.chemicalbook.com. URL consultato il 4 maggio 2025.

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