حمض الكربونيك

حمض الكربونيك

حمض الكربونيك هو الحمض يوجد في المحاليل الناتجة عن حل غاز ثنائي أكسيد الكربون في الماء، وله الصيغة الكيميائية H2CO3.[4][5][6] 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.

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:

يكون ثابت توازن تفاعل الإماهة عند الدرجة 25°س Kh= 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.

كما ذكر أعلاه فإن غاز ثنائي أكسيد الكربون المنحل في الماء يكون على توازن مع حمض الكربونيك:

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 pKa 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.

عند درجة حرارة معينة فإن تركيب محاليل حمض الكربونيك يتعلق بشكل رئيسي بالضغط الجزئي لغاز ثنائي أكسيد الكربون 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 ، وباعتماد العلاقة التالية بين غاز CO2 المنحل و CO2 الغازي الموجود فوق المحلول:

إن معادلات التوازن بالإضافة إلى العلاقة وعلاقة الاعتدال لحمض الكربونيك 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 .

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: