مفهوم البيكربونات في الكيمياء

في الكيمياء إن البيكربونات وفي الإنجليزية: (bicarbonate)، وفي الكيمياء غير العضوية البيكربونات (التسمية الموصى بها من قبل IUPAC: الهيدروجين كربونات) هي شكل وسيط في نزع بروتونات حمض الكربونيك، وهو أنيون متعدد الذرات (-HCO3)، والبيكربونات تلعب دورًا كيميائيًا حيويًا أساسيًا في الأنظمة الفسيولوجية القائمة على تخزين الأس الهيدروجيني، ومركبات البيكربونات كالتالي: بيكربونات الصوديوم، بيكربونات البوتاسيوم، بيكربونات الكالسيوم، بيكربونات الأمونيوم.

ما هو مفهوم البيكربونات في الكيمياء

• تمتص جميع المياه التي تتلامس مع الغلاف الجوي ثاني أكسيد الكربون وعندما تتلامس هذه المياه مع الصخور والرواسب فإنها تكتسب أيونات معدنية وغالبًا الكالسيوم والمغنيسيوم، لذلك يمكن أن تكون معظم المياه الطبيعية التي تأتي من الجداول والبحيرات وخاصة الآبار، وتعتبر محاليل مخففة لهذه البيكربونات.

• ووفقًا للنصوص الموجودة في كتب الكيمياء غير العضوية فإن البيكربونات هي الشكل الوسيط في نزع بروتون حمض الكربونيك، وهو أنيون متعدد الذرات والبيكربونات تلعب دورًا كيميائيًا حيويًا أساسيًا في الأنظمة الفسيولوجية القائمة على تخزين الأس الهيدروجيني، ويتكون أيون البيكربونات عندما يخضع حمض الكربونيك لنزع البروتون.

• يتكون هذا الأيون متعدد الذرات من ذرة كربون مركزية مرتبطة كيميائياً بثلاث ذرات أكسجين، ترتبط إحدى ذرات الأكسجين هذه بذرة هيدروجين، ويتم تحديد الشحنة السالبة من الحجم -1 من خلال ذرات الأكسجين المتبقية بسبب الرنين، أيون البيكربونات عبارة عن أنيون له الصيغة التجريبية (HCO3−)، وكتلة جزيئية قدرها 61.01 دالتون.

• يتكون البيكربونات من ذرة كربون مركزية واحدة حولها 3 ذرات أكسجين في ترتيب مستو ثلاثي الزوايا، مع ذرة هيدروجين متصلة بأحد الأكسجين، ويحمل أيون البيكربونات شحنة رسمية سالبة واحدة وهو القاعدة المترافقة لحمض الكربونيك (H2CO3) وهو الحمض المترافق لـ (CO3 −2)، أيون الكربونات كما هو موضح في تفاعلات التوازن هذه:

^–CO₃^2- +2 H₂O ⇋ HCO₃^1- + H₂O + OH^1- ⇋ H₂CO₃ +2 OH

⁺H₂CO₃ +2 H₂O ⇋ HCO₃^1- + H₃O¹⁺ + H₂O ⇋ CO₃^2- +2 H₃O

• يتكون ملح البيكربونات عندما يرتبط أيون موجب الشحنة بذرات الأكسجين سالبة الشحنة للأيون، مكونًا مركبًا أيونيًا، العديد من البيكربونات قابلة للذوبان في الماء عند درجة حرارة وضغط معياريين وخاصة بيكربونات الصوديوم وبيكربونات المغنيسيوم، تساهم كلتا هاتين المادتين في إجمالي المواد الصلبة الذائبة، وهي معلمة مشتركة لتقييم جودة المياه.

استخدامات البيكربونات

دور في الكيمياء الحيوية

• يعتبر البيكربونات مكونًا حيويًا لنظام التخزين المؤقت لدرجة الحموضة، في الجسم (الحفاظ على التوازن الحمضي القاعدي)، ويتم تحويل 86٪ -90٪ من ثاني أكسيد الكربون في الجسم إلى حمض الكربونيك (H2CO3)، والذي يمكن أن يتحول بسرعة إلى بيكربونات (HCO3-)، مع حمض الكربونيك باعتباره النوع الوسيط المركزي.

• إن البيكربونات، جنبًا إلى جنب مع الماء وأيونات الهيدروجين وثاني أكسيد الكربون تشكل نظام التخزين المؤقت هذا الذي يتم الحفاظ عليه عند التوازن المتطاير، المطلوب لتوفير مقاومة فورية للتغيرات الحادة في درجة الحموضة في كل من الحمضية و التوجيهات الأساسية، وهذا مهم بشكل خاص لحماية أنسجة الجهاز العصبي المركزي حيث يتغير الأس الهيدروجيني بعيدًا عن النطاق الطبيعي في أي من الاتجاهين يمكن أن يكون كارثيًا.

استخدامات اخرى

• في الطب التشخيصي، تعد قيمة البيكربونات في الدم أحد العلامات الكثيرة لحالة فسيولوجيا القاعدة الحمضية في الجسم، معامل تركيز البيكربونات القياسي (SBCe) هو تركيز البيكربونات في الدم عند ثاني أكسيد الكربون يبلغ 5.33 كيلو باسكال، وتشبع كامل بالأكسجين و 37 درجة مئوية.

• أن الملح الأكثر شيوعًا في أيون البيكربونات هو بيكربونات الصوديوم (NaHCO3) والذي يستخدم كصودا الخبز، يعتبر تدفق أيونات البيكربونات من الصخور التي تم تجويتها من خلال حمض الكربونيك في مياه الأمطار جزءًا مهمًا من دورة الكربون، ويعمل البيكربونات أيضًا في الجهاز الهضمي حيث يرفع درجة الحموضة الداخلية للمعدة، بعد انتهاء العصارات الهضمية شديدة الحموضة من هضم الطعام.

• بينما خبز بيكربونات مثل بيكربونات الصوديوم تجد دورًا كعامل تخمير، يتم استخدامها لزيادة درجة الحموضة الداخلية للمعدة لمواجهة نشاط العصارات الهضمية شديدة الحموضة، ويعد البيكربونات مكونًا حيويًا لنظام التخزين المؤقت لدرجة الحموضة في جسم الإنسان، ويستخدم بيكربونات الأمونيوم في صناعة بسكويت دايجستيف.

أهمية البيكربونات في صحة الإنسان

• تزود البيكربونات الدم بالقدرة على مقاومة التغيرات في الأس الهيدروجيني، أي اختلافات دقيقة في درجة الحموضة في الدم يمكن أن تعطل وظائف التمثيل الغذائي الحرجة، تساهم البيكربونات أيضًا في مقاومة تأثيرات الأمطار الحمضية في المياه الطبيعية والتأثيرات الحمضية الأخرى، ويمكن أن يكون التأرجح الدراماتيكي في درجة الحموضة في الجداول والأنهار مدمرًا بنفس القدر.

• كما أن المحيط محصن بالبيكربونات وقادر على تحييد الكمية الهائلة من النفايات الحمضية، يوجد بيكربونات أكثر بكثير مقارنة بحمض الكربونيك (نسبة تقريبية 20: 1) في ظل الحالة المثالية في جسم الإنسان، هذا مناسب للكائنات الحية التي تطلق النفايات الأيضية، التركيز الأعلى للبيكربونات عند التوازن قادر على تحييد كمية كبيرة من الحموضة.

• ومع ذلك، تصبح البيكربونات العامل المحدد تحت الضغط، يؤدي التلوث والنظام الغذائي والتمارين الرياضية والعمر إلى سحب البيكربونات ويحد من قدرة الجسم على تحييد الأحماض والقضاء عليها.

العلاقة الهيكلية لحمض الكربونيك وأنيون البيكربونات

• يتم الحفاظ على توازن التركيب الحمضي القاعدي والتحكم فيه من خلال قدرة الجهاز التنفسي على التخلص من ثاني أكسيد الكربون الزائد جنبًا إلى جنب مع قدرة الكلى على إزالة النفايات في البول ونظام التخزين المؤقت الذي يشار إليه باسم نظام التخزين المؤقت للبيكربونات، إن التوافر المناسب للبيكربونات هو أكبر عامل مقيد لمعادلة النفايات الحمضية في جسم الإنسان، والتي تعمل كمضاد للأكسدة.

• يمكن أيضًا توصيل البيكربونات عن طريق الماء، في الواقع، لا الماء ولا الدم سليمان بدونهما، يعتمد تحييد الأحماض على وجود المخازن المؤقتة، على سبيل المثال إذا تمت إضافة حمض ضعيف إلى كوب من الماء له قدرة تخزين صفرية، فإن الرقم الهيدروجيني ينخفض ​​على الفور، ولكن إذا تمت إضافة نفس الكمية من الحمض إلى كوب مملوء بالماء المخزن، فإن الرقم الهيدروجيني يظل كما كان من قبل.

• يحيد المخزن المؤقت الحمض ويترك الرقم الهيدروجيني للمحلول كما هو. تكون المخازن المؤقتة عادة عبارة عن بيكربونات في الماء وداخل جسم الإنسان، وتتكون أنظمة تخزين البيكربونات من حمض ضعيف، أي حمض الكربونيك (H2CO3) وقاعدة ضعيفة، أي بيكربونات (HCO3)، عند دمجها تعمل على الحفاظ على درجة الحموضة في الدم والسوائل الداخلية الأخرى في نطاق معين.

• يتفكك حمض الكربونيك في المحلول إلى أيونات الهيدروجين وأيونات البيكربونات، عند إضافة الحمض إلى نظام البيكربونات يعاد الاتصال وتشكل حمض الكربونيك مرة أخرى، وهذا يقلل من تركيز أيونات الهيدروجين ويعيد الرقم الهيدروجيني إلى قيمته الأصلية، تعمل المحاليل المعيارية على تحييد الأحماض عن طريق التخلص من أيونات الهيدروجين.

^–H₂CO₃ + H₂O  ⇋  H⁺ + HCO₃