Acido carbonico
L'acido carbonico è un composto chimico di formula H2CO3 che in condizioni standard si presenta in fase solida.[3]
| Acido carbonico | |
|---|---|
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| Nome IUPAC | |
| Acido triossocarbonico(IV) | |
| Caratteristiche generali | |
| Formula bruta o molecolare | H2CO3 oppure CO(OH)2 |
| Massa molecolare (u) | 62,03 g/mol |
| Aspetto | Incolore |
| Numero CAS | |
| Numero EINECS | 610-295-3 |
| PubChem | 767, 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 K | Ka1: 4,3×10−7 Ka2: 5,60×10−11 |
| Solubilità in acqua | 12,8 mg/mL[1] |
| Temperatura di fusione | 720°C[2] |
| Temperatura di ebollizione | 333,6 ± 25,0°C |
| Indicazioni di sicurezza | |
| Simboli di rischio chimico | |
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| attenzione | |
| Frasi H | 302 - 312 - 315 - 319 - 332 - 335 |
| Consigli P | 261 - 264 - 264+265 - 270 - 271 - 280 - 301+317 - 302+352 - 304+340 - 305+351+338 - 317 - 319 - 321 - 330 |
Storia
modificaIl 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
modifica- 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 |
Abbondanza e disponibilità
modificaIl 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
modificaL'acido carbonico si ottiene dalle seguenti reazioni:
Reattività e caratteristiche chimiche
modificaIl 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
modificaDerivati
modificaBiochimica
modificaA 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
modificaViene 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
modifica- ^ MERCK INDEX (1996)
- ^ http://www.hmdb.ca/metabolites/HMDB0000595
- ^ a b Human Metabolome Database: Showing metabocard for Hydrogen carbonate (HMDB0000595), su www.hmdb.ca. URL consultato il 4 maggio 2025.
- ^ 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.
- ^ 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.
- ^ 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.
- ^ 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.
- ^ AG2023-0309.pdf, su quimicanova.sbq.org.br. URL consultato il 4 maggio 2025.
- ^ 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.
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- ^ 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.
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- ^ The Chemical Name, Properties and Uses of H2CO3_Chemicalbook, su www.chemicalbook.com. URL consultato il 4 maggio 2025.
Altri progetti
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Collegamenti esterni
modifica- carbonico, acido, su Treccani.it – Enciclopedie on line, Istituto dell'Enciclopedia Italiana.
- (EN) carbonic acid, su Enciclopedia Britannica, Encyclopædia Britannica, Inc.
| Controllo di autorità | Thesaurus BNCF 61126 · LCCN (EN) sh89006832 · GND (DE) 4192064-8 · J9U (EN, HE) 987007539190605171 |
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