กรดคาร์บอนิก (H2CO3): โครงสร้างคุณสมบัติการสังเคราะห์การใช้งาน - เคมี - 2026

กรดคาร์บอเป็นสารอนินทรีแม้ว่าบางคนโต้แย้งจริงอินทรีย์เคมีสูตร H ₂ CO 3ดังนั้นจึงเป็นกรดสองโปรตอนความสามารถในการบริจาคสอง H ⁺ไอออนกับสื่อที่เป็นน้ำที่จะสร้างสองไพเพอร์โมเลกุล H ₃ O +จากนั้นเกิดไอออนไบคาร์บอเนต (HCO ₃ ^- ) และคาร์บอเนต (CO ₃ ^2- ) ที่รู้จักกันดี

กรดที่แปลกประหลาดนี้เรียบง่าย แต่ในขณะเดียวกันก็เกี่ยวข้องกับระบบที่สิ่งมีชีวิตจำนวนมากมีส่วนร่วมในสมดุลไอของเหลวเกิดขึ้นจากโมเลกุลอนินทรีย์พื้นฐาน 2 โมเลกุล ได้แก่ น้ำและคาร์บอนไดออกไซด์ การปรากฏตัวของ CO _{2 ที่}ยังไม่ละลายจะสังเกตได้ทุกครั้งที่มีฟองในน้ำลอยขึ้นสู่ผิวน้ำ

แก้วที่มีน้ำอัดลมซึ่งเป็นหนึ่งในเครื่องดื่มทั่วไปที่มีกรดคาร์บอนิก ที่มา: pxhere.

ปรากฏการณ์นี้พบเห็นได้บ่อยในเครื่องดื่มอัดลมและน้ำอัดลม

ในกรณีของน้ำอัดลมหรือน้ำเติมอากาศ (ภาพบน) ปริมาณ CO ₂ดังกล่าวได้ละลายโดยที่ความดันไอมากกว่าสองเท่าของความดันบรรยากาศ เมื่อเปิดฝาออกความแตกต่างของความดันภายในขวดและภายนอกจะลดความสามารถในการละลายของ CO ₂ซึ่งเป็นสาเหตุที่ทำให้ฟองอากาศปรากฏขึ้นและหลุดออกจากของเหลว

ในระดับที่น้อยกว่าสิ่งเดียวกันนี้เกิดขึ้นในร่างกายของน้ำจืดหรือน้ำเกลือใด ๆ : เมื่อถูกความร้อนพวกมันจะปล่อย CO _{2 ที่}ละลายออกมา

อย่างไรก็ตาม CO _{2 เป็น}ไม่เพียง แต่ละลาย แต่ผ่านการเปลี่ยนแปลงในโมเลกุลที่ทำให้มันกลายเป็น H ₂ CO ₃ ; กรดที่มีอายุการใช้งานน้อยเกินไป แต่เพียงพอที่จะทำเครื่องหมายการเปลี่ยนแปลงค่า pH ของตัวกลางในน้ำของตัวทำละลายที่วัดได้และยังสร้างระบบบัฟเฟอร์คาร์บอเนตที่เป็นเอกลักษณ์

โครงสร้าง

อณู

โมเลกุลของกรดคาร์บอนิกแสดงโดยแบบจำลองทรงกลมและแท่ง ที่มา: Jynto และ Ben Mills ผ่าน Wikipedia

ด้านบนเรามีโมเลกุล H ₂ CO ₃ซึ่งแสดงด้วยทรงกลมและแท่ง ทรงกลมสีแดงสอดคล้องกับอะตอมของออกซิเจนสีดำกับอะตอมของคาร์บอนและสีขาวกับอะตอมของไฮโดรเจน

สังเกตว่าเริ่มต้นจากภาพคุณสามารถเขียนสูตรอื่นที่ถูกต้องสำหรับกรดนี้: CO (OH) ₂โดยที่ CO กลายเป็นหมู่คาร์บอนิล C = O เชื่อมโยงกับกลุ่มไฮดรอกซิลสองกลุ่มคือ OH เนื่องจากมีกลุ่ม OH สองกลุ่มที่สามารถบริจาคอะตอมของไฮโดรเจนได้จึงเป็นที่เข้าใจแล้วว่าไอออน H ^{+ ที่}ปล่อยออกสู่สิ่งแวดล้อมมาจากไหน

โครงสร้างโมเลกุลของกรดคาร์บอนิก

โปรดทราบว่าสูตร CO (OH) ₂สามารถเขียนเป็น OHCOOH ได้ กล่าวคือเป็นประเภท RCOOH โดยที่ R อยู่ในกรณีนี้คือกลุ่ม OH

ด้วยเหตุนี้นอกเหนือไปจากข้อเท็จจริงที่ว่าโมเลกุลประกอบด้วยออกซิเจนไฮโดรเจนและอะตอมของคาร์บอนซึ่งพบได้ทั่วไปในเคมีอินทรีย์กรดคาร์บอนิกบางชนิดถือว่าเป็นสารประกอบอินทรีย์ อย่างไรก็ตามในส่วนของการสังเคราะห์จะมีการอธิบายว่าเหตุใดคนอื่นจึงคิดว่ามันเป็นอนินทรีย์และไม่ใช่อินทรีย์ในธรรมชาติ

ปฏิสัมพันธ์ระหว่างโมเลกุล

จากโมเลกุล H ₂ CO ₃สามารถลงความเห็นได้ว่าเรขาคณิตของมันคือระนาบตรีโกณโดยคาร์บอนอยู่ตรงกลางของสามเหลี่ยม ในจุดยอดสองจุดมีหมู่ OH ซึ่งเป็นผู้บริจาคพันธะไฮโดรเจน และอีกอันที่เหลือคืออะตอมออกซิเจนของหมู่ C = O ตัวรับพันธะไฮโดรเจน

ดังนั้น H ₂ CO ₃จึงมีแนวโน้มที่ดีในการทำปฏิกิริยากับตัวทำละลายโพรทิกหรือออกซิเจน (และไนโตรเจน)

และบังเอิญน้ำมีคุณสมบัติตรงตามลักษณะทั้งสองนี้และความสัมพันธ์ของ H ₂ CO ₃ก็เป็นเช่นนั้นแทบจะในทันทีที่มันยอมแพ้ H ⁺และเริ่มมีการสร้างสมดุลของการย่อยสลายที่เกี่ยวข้องกับสายพันธุ์ HCO ₃ ^-และ H ₃ O ⁺ .

นั่นคือเหตุผลว่าทำไมการมีอยู่ของน้ำจึงสลายกรดคาร์บอนิกและทำให้ยากเกินไปที่จะแยกเป็นสารประกอบบริสุทธิ์

กรดคาร์บอนิกบริสุทธิ์

กลับไปที่โมเลกุล H ₂ CO ₃ไม่เพียง แต่แบนสามารถสร้างพันธะไฮโดรเจนได้ แต่ยังสามารถนำเสนอไอโซเมอร์ริซึมแบบ cis-trans ได้อีกด้วย นี่คือในภาพเรามีไอโซเมอร์ cis โดยที่ H สองตัวชี้ไปในทิศทางเดียวกันในขณะที่ในทรานส์ไอโซเมอร์จะชี้ไปในทิศทางตรงกันข้าม

ไอโซเมอร์ของซิสมีความเสถียรมากกว่าของทั้งสองและนั่นคือเหตุผลว่าทำไมจึงเป็นเพียงตัวเดียวที่มักจะเป็นตัวแทน

ของแข็งบริสุทธิ์ของ H ₂ CO ₃ประกอบด้วยโครงสร้างผลึกที่ประกอบด้วยชั้นหรือแผ่นโมเลกุลที่ทำปฏิกิริยากับพันธะไฮโดรเจนด้านข้าง คาดว่าโมเลกุลของ H ₂ CO ₃จะแบนและเป็นรูปสามเหลี่ยม เมื่อมันระเหิดตัวหรี่วงจร (H ₂ CO ₃ ) _{2 จะปรากฏขึ้น}ซึ่งเชื่อมต่อด้วยพันธะไฮโดรเจนสองพันธะ C = O-OH

ยังไม่ได้กำหนดความสมมาตรของผลึก H ₂ CO ₃ในขณะนี้ มันได้รับการพิจารณาให้ตกผลึกเป็นสอง polymorphs: α-H ₂ CO ₃และβ-H ₂ CO 3 อย่างไรก็ตามα-H ₂ CO ₃ซึ่งสังเคราะห์จากส่วนผสมของ CH ₃ COOH-CO ₂ได้แสดงให้เห็นว่าเป็น CH ₃ OCOOH ซึ่งเป็นโมโนเมทิลเอสเตอร์ของกรดคาร์บอนิก

คุณสมบัติ

มีการกล่าวว่า H ₂ CO ₃เป็นกรดไดโพรติกดังนั้นจึงสามารถบริจาคไอออน H ⁺สองไอออนให้กับตัวกลางที่ยอมรับได้ เมื่อตัวกลางนี้เป็นน้ำสมการของการแยกตัวหรือไฮโดรไลซิสคือ:

H ₂ CO ₃ (aq) + H ₂ O (l) <=> HCO ₃ ^- (aq) + H ₃ O ⁺ (aq) (กา₁ = 2.5 × 10 ⁻⁴ )

HCO ₃ ^- (aq) + H ₂ O (l) <=> CO ₃ ^2- (aq) + H ₃ O ⁺ (aq) (กา₂ = 4.69 × 10 ⁻¹¹ )

HCO ₃ ^-คือไอออนของไบคาร์บอเนตหรือไฮโดรเจนคาร์บอเนตและ CO ₃ ^2-แอนไอออนคาร์บอเนต ค่าคงที่สมดุลของตนกา₁และกา₂ ยังจะมีการแสดง เนื่องจาก Ka _{2 มี}ขนาดเล็กกว่า Ka ₁ถึงห้าล้านเท่าการก่อตัวและความเข้มข้นของ CO ₃ ^2-จึงมีความสำคัญเล็กน้อย

ดังนั้นแม้ว่าจะเป็นกรดไดโพรติก แต่ H ⁺ตัวที่สองก็แทบจะไม่สามารถปลดปล่อยออกมาได้อย่างน่าชื่นชม อย่างไรก็ตามการมี CO _{2 ที่}ละลายในปริมาณมากเพียงพอที่จะทำให้ตัวกลางเป็นกรด ในกรณีนี้คือน้ำลดค่า pH (ต่ำกว่า 7)

ที่จะพูดถึงกรดคาร์บอคือการปฏิบัติที่จะอ้างสารละลายที่สายพันธุ์ HCO ₃ ^-และ H ₃ O ⁺ครอบงำ; ไม่สามารถแยกได้ด้วยวิธีการทั่วไปเนื่องจากความพยายามเพียงเล็กน้อยจะเปลี่ยนสมดุลของความสามารถในการละลายของ CO ₂ไปสู่การก่อตัวของฟองอากาศที่จะหนีออกจากน้ำ

สังเคราะห์

การละลาย

กรดคาร์บอนิกเป็นสารประกอบที่สังเคราะห์ได้ง่ายที่สุดชนิดหนึ่ง อย่างไร? วิธีที่ง่ายที่สุดคือทำฟองด้วยฟางหรือฟางอากาศที่เราหายใจออกไปในน้ำปริมาณหนึ่ง เนื่องจากเราหายใจออก CO ₂เป็นหลักมันจะฟองลงไปในน้ำโดยละลายเป็นเศษเล็กเศษน้อย

เมื่อเราทำสิ่งนี้จะเกิดปฏิกิริยาต่อไปนี้:

CO ₂ (กรัม) + H ₂ O (l) <=> H ₂ CO ₃ (aq)

แต่ในทางกลับกันต้องพิจารณาความสามารถในการละลายของ CO ₂ในน้ำ:

CO ₂ (กรัม) <=> CO ₂ (aq)

ทั้ง CO ₂และ H ₂ O เป็นโมเลกุลอนินทรีย์ดังนั้น H ₂ CO ₃จึงเป็นอนินทรีย์จากมุมมองนี้

สมดุลไอของเหลว

เป็นผลให้เรามีระบบสมดุลที่ขึ้นอยู่กับแรงกดดันบางส่วนของ CO ₂รวมทั้งอุณหภูมิของของเหลว

ตัวอย่างเช่นถ้าความดันของ CO ₂เพิ่มขึ้น (ในกรณีที่เราเป่าลมด้วยแรงผ่านฟางมากขึ้น) จะเกิด H ₂ CO _{3 มาก}ขึ้นและ pH จะเป็นกรดมากขึ้น เนื่องจากดุลยภาพแรกจะเลื่อนไปทางขวา

ในทางกลับกันถ้าเราให้ความร้อนแก่สารละลาย H ₂ CO ₃ความสามารถในการละลายของ CO ₂ในน้ำจะลดลงเนื่องจากเป็นก๊าซจากนั้นสมดุลจะเลื่อนไปทางซ้าย (จะมี H ₂ CO ₃น้อยกว่า) จะคล้าย ๆ กันถ้าเราพยายามใช้สุญญากาศ: CO ₂จะหนีออกไปเช่นเดียวกับโมเลกุลของน้ำซึ่งจะเปลี่ยนสมดุลไปทางซ้ายอีกครั้ง

ของแข็งบริสุทธิ์

ข้างต้นช่วยให้เราได้ข้อสรุป: จากสารละลาย H ₂ CO ₃ไม่มีวิธีใดที่จะสังเคราะห์กรดนี้เป็นของแข็งบริสุทธิ์โดยวิธีการทั่วไปได้ อย่างไรก็ตามมีการทำตั้งแต่ทศวรรษที่ 90 ของศตวรรษที่แล้วโดยเริ่มจากส่วนผสมที่เป็นของแข็งของ CO ₂และ H ₂ O

นี้ส่วนผสมที่เป็นของแข็ง50% CO ₂ -H ₂ O ถูกถล่มด้วยโปรตอน (ชนิดของรังสีจักรวาล) เพื่อให้ทั้งสองส่วนจะหลบหนีและการก่อตัวของ H ₂ CO ₃เกิดขึ้น เพื่อจุดประสงค์นี้จึงใช้ส่วนผสมของ CH ₃ OH-CO ₂ด้วย(จำα-H ₂ CO ₃ )

อีกวิธีหนึ่งคือทำเหมือนกัน แต่ใช้น้ำแข็งแห้งโดยตรงไม่มีอะไรมาก

จากวิธีการทั้งสามนี้นักวิทยาศาสตร์ของ NASA สามารถบรรลุข้อสรุปอย่างหนึ่งคือกรดคาร์บอนิกบริสุทธิ์ของแข็งหรือก๊าซสามารถมีอยู่ในดาวเทียมที่เป็นน้ำแข็งของดาวพฤหัสบดีในธารน้ำแข็งบนดาวอังคารและในดาวหางซึ่งสารผสมที่เป็นของแข็งดังกล่าวจะถูกฉายรังสีอยู่ตลอดเวลา โดยรังสีคอสมิก

การประยุกต์ใช้งาน

กรดคาร์บอนิกโดยตัวมันเองเป็นสารประกอบที่ไม่มีประโยชน์ จากการแก้ปัญหาของพวกเขา แต่สารละลายบัฟเฟอร์ขึ้นอยู่กับคู่ HCO ₃ ^- / CO ₃ ^2-หรือ H ₂ CO ₃ / HCO ₃ ^-สามารถจัดทำ

ด้วยวิธีการแก้ปัญหาเหล่านี้และการทำงานของเอนไซม์คาร์บอนิกแอนไฮเดรสที่มีอยู่ในเซลล์เม็ดเลือดแดง CO _{2 ที่}ผลิตในระบบการหายใจสามารถเคลื่อนย้ายในเลือดไปยังปอดซึ่งในที่สุดจะถูกปล่อยออกมาเพื่อให้หายใจออกนอกร่างกายของเรา

การตีฟองของ CO ₂ใช้เพื่อให้น้ำอัดลมมีความรู้สึกที่น่ารื่นรมย์และมีลักษณะเฉพาะที่พวกเขาทิ้งไว้ในลำคอเมื่อดื่มเข้าไป

ในทำนองเดียวกันการปรากฏตัวของ H ₂ CO ₃มีความสำคัญทางธรณีวิทยาในการก่อตัวของหินย้อยหินปูนเนื่องจากมันจะละลายอย่างช้าๆจนกว่าจะเกิดปลายแหลม

และในทางกลับกันสามารถใช้สารละลายเพื่อเตรียมไบคาร์บอเนตโลหะได้ แม้ว่าจะทำกำไรได้มากกว่าและง่ายกว่าในการใช้เกลือไบคาร์บอเนตโดยตรง (เช่น NaHCO ₃ )

ความเสี่ยง

กรดคาร์บอนิกมีช่วงชีวิตที่น้อยมากภายใต้สภาวะปกติ (ประมาณ 300 นาโนวินาที) ซึ่งแทบจะไม่เป็นอันตรายต่อสิ่งแวดล้อมและสิ่งมีชีวิต อย่างไรก็ตามตามที่กล่าวไว้ก่อนหน้านี้ไม่ได้หมายความว่าจะไม่สามารถสร้างการเปลี่ยนแปลง pH ของน้ำในมหาสมุทรที่น่ากังวลซึ่งส่งผลกระทบต่อสัตว์ทะเล

ในทางกลับกัน "ความเสี่ยง" ที่แท้จริงพบได้จากการดื่มน้ำอัดลมเนื่องจากปริมาณของ CO _{2 ที่}ละลายอยู่ในนั้นสูงกว่าในน้ำปกติมาก อย่างไรก็ตามและอีกครั้งไม่มีการศึกษาใดที่แสดงให้เห็นว่าการดื่มน้ำอัดลมก่อให้เกิดความเสี่ยงร้ายแรง หากพวกเขาแนะนำให้อดอาหารและต่อสู้กับอาหารไม่ย่อย

ผลเสียเพียงอย่างเดียวที่สังเกตได้ในผู้ที่ดื่มน้ำนี้คือความรู้สึกอิ่มเนื่องจากกระเพาะอาหารเต็มไปด้วยก๊าซ นอกจากนี้ (ไม่ต้องพูดถึงโซดาเนื่องจากประกอบด้วยกรดคาร์บอนิกมากกว่ากรดคาร์บอนิก) จึงสามารถกล่าวได้ว่าสารประกอบนี้ไม่เป็นพิษเลย

อ้างอิง

1. Day, R. , & Underwood, A. (1989). เคมีวิเคราะห์เชิงปริมาณ (ฉบับที่ห้า) PEARSON Prentice Hall.
2. ตัวสั่นและแอตกินส์ (2008) เคมีอนินทรีย์. (พิมพ์ครั้งที่สี่). Mc Graw Hill
3. วิกิพีเดีย (2019) กรดคาร์บอนิก สืบค้นจาก: en.wikipedia.org
4. Danielle Reid (2019) กรดคาร์บอนิก: การก่อตัวโครงสร้างและวิดีโอสมการทางเคมี ศึกษา. ดึงมาจาก: study.com
5. Götz Bucher และ Wolfram Sander (2014) ชี้แจงโครงสร้างของกรดคาร์บอนิก ปีที่ 346 ฉบับที่ 6209 หน้า 544-545 DOI: 10.1126 / science.1260117
6. ลินน์ยาร์ริส (22 ตุลาคม 2557). ข้อมูลเชิงลึกใหม่เกี่ยวกับกรดคาร์บอนิกในน้ำ Berkeley Lab. สืบค้นจาก: newscenter.lbl.gov
7. คลอเดียแฮมมอนด์ (2558, 14 กันยายน). น้ำอัดลมไม่ดีต่อคุณจริงหรือ? สืบค้นจาก: bbc.com
8. เจอร์เก้นเบอร์นาร์ด (2014) กรดคาร์บอนิกที่เป็นของแข็งและเป็นก๊าซ สถาบันเคมีกายภาพ. มหาวิทยาลัยอินส์บรุค.