حمض الكربونيك

حمض الكربونيك مركب كيميائي صيغته الكيميائية _H₂CO₃ . يتحول هذا الجزيء بسرعة إلى ماء وثاني أكسيد الكربون بوجود الماء. ^{[ 5 ]} _{وخلافًا لما ورد في} كتب أوائل القرن العشرين ^{[ 6 ]} ، فقد أكدت دراسات عديدة أُجريت منذ عام 1990 تقريبًا أن H₂CO₃ _جزيء حقيقي ذو طيف رامان مميز ^{[ 7 ]} وعمر افتراضي من الدرجة الأولى يبلغ حوالي 20 مللي ثانية عند 37 درجة مئوية. ^{[ 8 ]} كما تم عزل حمض الكربونيك الصلب اللامائي. ^{[ 9 ]}

يرتبط التحول المتبادل بين ثاني أكسيد الكربون وحمض الكربونيك بعملية التنفس لجميع الكائنات الحية الهوائية وبتحمض المياه الطبيعية . ^{[ 4 ]}

في بدايات علم الكيمياء، أُطلق على ثاني أكسيد الكربون (CO₂ ₎ أسماء متعددة. بقيادة لافوازييه، قام فريق من الكيميائيين بتنظيم تسمية المواد الكيميائية المعروفة آنذاك. سُمّي _ثاني أكسيد الكربون "حمض الكربونيك" عام ١٧٨١، لأنه كان يُنتج عن احتراق الفحم ( charbon بالفرنسية)، وكان يُعتبر حمضًا. في ذلك الوقت، كان الحمض مادةً تُنتج، عند ذوبانها في الماء، لونًا أحمر في اختبار عباد الشمس وطعمًا حمضيًا مميزًا. لاحقًا، أعاد الكيميائيون تعريف مفهوم "الحمض"، ولم يعودوا يعتبرون _ثاني أكسيد الكربون حمضًا، وأصبح "حمض الكربونيك" الاسم النظامي لـ H₂CO₃ _. كان يُعتقد أن _{H₂CO₃ لا} يمكن أن يوجد ^{بشكل مستقل، وإنما} يوجد فقط في محلول. ^[ _٦ ]

في ستينيات القرن العشرين، أنتج الباحثون مركبات إضافية لحمض الكربونيك ( _{H₂CO₃ )} . _حُضِّر المركب الإضافي _ثنائي إيثيل الإيثر H₂CO₃ · O(CH₂CH₃ ₎ ₂ _عند درجة حرارة -78 درجة مئوية. ^{[ 10 ]} _أما المركب الإضافي ثنائي ميثيل الإيثر H₂CO₃ _· O(CH₃ ) ₂ فقد _تم تصنيعه عند درجة حرارة -30 درجة مئوية باستخدام ثنائي ميثيل الإيثر وكربونات الصوديوم ، وتم تأكيد _{ذلك باستخدام طرق كيميائية وحرارية كيميائية وأشعة تحت الحمراء} والرنين النووي المغناطيسي. يُعدّ المركب H₂CO₃ _· O ( CH₃ _{) ₂ النقي} مادة صلبة تتحلل عند درجة حرارة 5 درجات مئوية. ^{[ 11 ]}

في عام 1987، تم تحضير غاز الكربون (H₂CO₃ _{) عن} طريق التحلل الحراري لبيكربونات الأمونيوم ( NH₄HCO₃ _{) ،} وتم تأكيد ذلك باستخدام مطيافية الأشعة تحت الحمراء ومطيافية الكتلة بالتنشيط التصادمي . ^{[ 12 ]} وفي عام 1991، تم تحضير الكربون الصلب (H₂CO₃ _{) عن} طريق تشعيع خليط جليدي بنسبة 1:1 من الماء وثاني أكسيد الكربون ₍ H₂O + CO₂ ₎ عند درجة حرارة 20 كلفن. _[ ^{13 ] يُطلق} على ناتج هذه الطريقة التحضيرية اسم α-H₂CO₃ _. وثمة طريقة تحضيرية أخرى تبدأ بتفاعل بروميد الهيدروجين (HBr) وبيكربونات البوتاسيوم (KHCO₃ ₎ في محلول مائي، ثم تبخير الماء عند درجة حرارة 200 كلفن. وقد تم تأكيد ذلك باستخدام مطيافية الأشعة تحت الحمراء بتحويل فورييه (FTIR) . ^{[ 6 ]} _{يُطلق على} ناتج هذه الطريقة التحضيرية اسم β-H₂CO₃ _{. ومع} ذلك، يُعتقد لاحقًا أن α-H₂CO₃ هو ₍ CH₃ ) O ₍ COOH) ، وهو إستر أحادي الميثيل. ^{[ 14 ]}

وهذا يطرح السؤال التالي: لماذا يتمتع حمض الكربونيك (H₂CO₃ ) بـ"استقرار حركي مذهل"؟ ولماذا استغرق عزله في الحالة الصلبة وقتًا طويلاً؟ يُفسر ذلك، باستخدام نظرية الحالة الانتقالية، بأن حمض الكربونيك _{النقي غير} مستقر نسبيًا _. عند _درجة حرارة 300 كلفن ، _يُتوقع نظريًا أن _يبلغ عمر النصف له حوالي 10⁵ ^{سنوات ، لكن عمر النصف في وجود جزيئين من الماء ينخفض ​​إلى} حوالي دقيقة واحدة. باختصار ^، يُحفز الماء تحلل حمض _{الكربونيك .} ^{[ 5} ]

وفقًا لحسابات الكيمياء الكمية، يُتوقع أن يكون حمض الكربونيك النقي غازًا مستقرًا حركيًا عند درجة حرارة الغرفة (300 كلفن). ^{[ 5 ]} توجد طريقتان رئيسيتان لإنتاج حمض الكربونيك اللامائي : تفاعل كلوريد الهيدروجين وبيكربونات البوتاسيوم عند 100  كلفن في الميثانول ، وتشعيع ثاني أكسيد الكربون الصلب النقي بالبروتونات . ^{[ 2 ]} كيميائيًا، يتصرف كحمض برونستد ثنائي البروتون . ^{[ 15 ] [ 16 ] [ 17 ]}

تُظهر مونومرات حمض الكربونيك ثلاثة متصاوغات تشكيلية : cis–cis، وcis–trans، وtrans–trans. ^{[ 18 ] [ 19 ]}

في درجات الحرارة المنخفضة والضغط الجوي ، يكون حمض الكربونيك الصلب غير متبلور ويفتقر إلى قمم براغ في حيود الأشعة السينية . ^{[ 17 ]} ولكن عند الضغط العالي، يتبلور حمض الكربونيك، ويمكن لتقنيات التحليل الطيفي الحديثة قياس هندسته، ^{[ 4 ] [ 17 ]} والذي يمتلك، في ظل ظروف معينة، المجموعة الفراغية Cmc2 _1. ^{[ 9 ]}

وفقًا لحيود النيوترونات لحمض الكربونيك ثنائي الديوتيريوم ( D₂ CO_٣ ) في خلية هجينة مثبتة (سبيكة روسية من النيكل والكروم/نحاس-بيريليوم) عند ضغط ١.٨٥ جيجا باسكال، تكون الجزيئات مستوية وتشكلثنائياتبروابط هيدروجينيةمزدوجة. جميعروابط COمتساوية البعد تقريبًا عند ١.٣٤أنجستروم، وهي مسافة متوسطة بين المسافات النموذجية لروابط CO وC=O (١.٤٣ و١.٢٣أنجستروم على التوالي). تُعزى أطوال روابط CO غير المعتادة إلىالترابط πفي مركز الجزيء والروابط الهيدروجينية القوية للغاية. تؤدي التأثيرات نفسها أيضًا إلى مسافة O—O قصيرة جدًا (٢.١٣زاويةOHO البالغة ١٣٦ درجةالتي تفرضها الحلقات الثمانية المرتبطة بروابط هيدروجينية مزدوجة. ينتمي البلورة إلى المجموعة الفراغيةP2₁/C. ^{[ 4 ]} لوحظت مسافات أطول بين ذرات الأكسجين في الروابط الهيدروجينية القوية داخل الجزيء، كما هو الحال فيحمض الأكساليك، حيث تتجاوز المسافات 2.4أنغستروم. ^{[ 17 ]} من المتوقع أن تكون الثلاثيات والبوليمرات الأعلى أكثر استقرارًا. بناءً على هذا الاستقرار، اقتُرح استخدام حمض الكربونيك الصلبلعزل الكربون. ^{[ 20 ] [ 9 ]}    

في وجود كمية ضئيلة من الماء، يتحول حمض الكربونيك إلى ثاني أكسيد الكربون والماء ، مما يحفز بدوره المزيد من التحلل. ^{[ 5 ]}

ثابت توازن التميؤ عند 25 درجة مئوية هو [ H ₂ CO_[3 ]/[CO2_]≈ 1.7×10−3^فيالماء النقي ^{[ 21 ]} و ≈ 1.2×10−3^فيمياهالبحر. ^{[ 22 ]} لذا، فإن معظم ثاني أكسيد الكربون عندأسطح التماس الجيوفيزيائية أو البيولوجية بين الهواء والماءلا يتحول إلى حمض الكربونيك، بل يبقىغاز_ثانيأكسيد الكربونيتحقق التوازنغير المحفزثوابت معدل التفاعلهي 0.039ثانية⁻¹للترطيب و23ثانية⁻¹للتجفيف.  

حمض الكربونيك هو الحمض المرافق الرسمي لبرونستد-لوري لأيون البيكربونات ، وهو مستقر في المحلول القلوي . تم قياس ثوابت البروتنة بدقة عالية، لكنها تعتمد على القوة الأيونية الكلية I. أما التوازنان الأكثر سهولة في القياس فهما كما يلي:$${\displaystyle {\begin{aligned}{\ce {CO3^{2-}{}+ H+{}<=> HCO3^-}}&&\beta _{1}={\frac {[{\ce {HCO3^-}}]}{[{\ce {H+}}][{\ce {CO3^{2-}}}]}}\\{\ce {CO3^{2-}{}+ 2H+{}<=> H2CO3}}&&\beta _{2}={\frac {[{\ce {H2CO3}}]}{[{\ce {H+}}]^{2}[{\ce {CO3^{2-}}}]}}\end{aligned}}}$$حيث تشير الأقواس إلى تركيز الأنواع . عند درجة حرارة 25 درجة  مئوية، تحقق هذه التوازنات تجريبياً ^{[ 29 ]}$${\displaystyle {\begin{alignedat}{6}\log(\beta _{1})=&&0&.54&I^{2}-0&.96&I+&&9&.93\\\log(\beta _{2})=&&-2&.5&I^{2}-0&.043&I+&&16&.07\end{alignedat}}}$$يتناقص لوغاريتم ( β1 ) مع ازدياد شدة _التيار الأيوني (I) ، وكذلك لوغاريتم ( β2 ) . في محلول خالٍ من الأيونات الأخرى (مثلًا I = 0 ₎ ، تشير هذه المنحنيات إلى ثوابت التفكك التدريجي التالية :$${\displaystyle {\begin{alignedat}{3}p{\text{K}}_{1}&=\log(\beta _{2})-\log(\beta _{1})&=6.77\\p{\text{K}}_{2}&=\log(\beta _{1})&=9.93\end{alignedat}}}$$تتضمن القيم المباشرة لهذه الثوابت في الأدبيات p K ₁ = 6.35 و p K ₂ - p K ₁ = 3.49 . ^{[ 30 ]}

لتفسير هذه الأرقام، تجدر الإشارة إلى أن نوعين كيميائيين في حالة توازن حمضي يكونان متساويي التركيز عندما يكون pKa = pH . وعلى وجه الخصوص، يُظهر السائل خارج الخلوي ( السيتوسول ) في الأنظمة البيولوجية pH ≈ 7.2 ، بحيث يكون حمض الكربونيك متفككًا بنسبة 50% تقريبًا عند التوازن.

تحمض المحيطات

يُظهر مخطط بييروم تراكيز التوازن النموذجية، في المحلول، في مياه البحر ، لثاني أكسيد الكربون والأنواع المختلفة المشتقة منه، كدالة لدرجة الحموضة . ^{[ 15 ] [ 16 ]} مع ازدياد نسبة ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي للأرض نتيجةً للتصنيع البشري ، يُتوقع أيضًا ازدياد نسبة ثاني أكسيد الكربون المذاب في مياه البحر والمياه العذبة على شكل حمض الكربونيك. ومن المتوقع أن يؤدي هذا الارتفاع في الحمض المذاب إلى زيادة حموضة تلك المياه، مما يُسبب انخفاضًا في درجة الحموضة. ^{[ 31 ] [ 32 ]} وقد قُدِّر أن الزيادة في ثاني أكسيد الكربون المذاب قد تسببت بالفعل في انخفاض متوسط ​​درجة حموضة سطح المحيط بنحو 0.1 عن مستويات ما قبل الثورة الصناعية.

•  " المناخ وحمض الكربونيك " في مجلة العلوم الشعبية الشهرية، المجلد 59، يوليو 1901
• ويلش، إم جيه؛ ليفتون، جيه إف؛ سيك، جيه إيه (1969). "دراسات التتبع باستخدام الأكسجين المشع-15. التبادل بين ثاني أكسيد الكربون والماء". مجلة الكيمياء الفيزيائية 73 (335): 3351. رمز Bibcode : 1969JPhCh..73.3351W . doi : 10.1021/j100844a033 .
• جولي، دبليو إل (1991). الكيمياء اللاعضوية الحديثة (  الطبعة الثانية). ماكجرو هيل. رقم ISBN 978-0-07-112651-9.
• مور، إم إتش؛ خانا، آر. (1991). "دراسات طيفية بالأشعة تحت الحمراء والكتلة لجليد H₂O + CO₂ المُشعّع بالبروتونات _: دليل _على وجود حمض الكربونيك" . مجلة سبيكتروكيميكا أكتا . 47A (2): 255-262 . Bibcode : 1991AcSpA..47..255M . doi : 10.1016/0584-8539(91)80097-3 .
• و. هاج، ك. ر. ليدل؛ ليدل، إ.؛ هالبروكر، أ.؛ ماير، إ. (1998). "حمض الكربونيك في الحالة الغازية وأهميته في الفيزياء الفلكية". مجلة ساينس . 279 (5355): 1332-1335 . رمز Bibcode : 1998Sci...279.1332H . doi : 10.1126/science.279.5355.1332 . PMID 9478889 . 
• هاج، و.؛ هالبروكر، أ.؛ ماير، إ. (1995). "شكل متعدد لحمض الكربونيك وأهميته المحتملة في الفيزياء الفلكية". مجلة الجمعية الكيميائية، معاملات فاراداي، 91 (17): 2823-2826 . رمز Bibcode : 1995JCSFT..91.2823H . doi : 10.1039/ft9959102823 .

• توازن حمض الكربونيك/البيكربونات/الكربونات في الماء: درجة حموضة المحاليل، والسعة التنظيمية، والمعايرة، وتوزيع الأنواع مقابل درجة الحموضة، محسوبة باستخدام جدول بيانات مجاني
• كيفية حساب تركيز حمض الكربونيك في الماء