حمض الكربونيك – H2CO3

في الكيمياء إن حمض الكربونيك ذو الصيغة الكيميائية التالية (H2CO3) هو عبارة عن الحمض الافتراضي لمركب ثاني أكسيد الكربون والماء، حيث أنه يوجد فقط في شكل أملاحه (كربونات) وأملاحه الحمضية (كربونات الهيدروجين) والأمينات (حمض الكرباميك) وكلوريد الحمض (كلوريد الكربونيل)، (وذلك من قاموس جرانت وهاك الكيميائي، الطبعة الخامسة).

حمض الكربونيك

• إن مركب حمض الكربونيك عبارة عن مركب يحتوي على الكربون، كما وتحتوي محاليل ثاني أكسيد الكربون في الماء على كميات صغيرة من هذا المركب، ومن الممكن أيضًا أن يتم كتابة صيغته الكيميائية على شكل (OC(OH)2) وذلك نظرًا لوجود رابطة مزدوجة من الكربون والأكسجين في هذا المركب.

• يظهر حمض الكربونيك في جسم الإنسان، حيث أنه يتحد ثاني أكسيد الكربون الموجود في الدم مع الماء من أجل تكوين حمض الكربونيك والذي يتم بعد ذلك زفيره على شكل غاز من خلال الرئتين، كما ويوجد حمض الكربونيك في الصخور والكهوف أيضا، علما أنه يمكنه إذابة الحجر الجيري، ويمكن أيضًا أن يتم العثور عليه في الفحم والنيازك والبراكين بالإضافة إلى الأمطار الحمضية والمياه الجوفية أيضا وغيرها.

• عادة فإنه يوصف حمض الكربونيك بأنه حمض تنفسي وذلك لأنه الحمض الوحيد الذي يزفر في الحالة الغازية بواسطة رئتي الإنسان، وهو عبارة عن حمض ضعيف ويشكل أملاح كربونات وبيكربونات، كما وأنه يمكن لحمض الكربونيك إذابة الحجر الجيري مما يؤدي إلى تكوين بيكربونات الكالسيوم ذو الصيغة الكيميائية التالية (Ca (HCO3)2) وهذا هو سبب العديد من سمات الحجر الجيري، مثل الصواعد والهوابط.

• من الممكن فهم أن بنية حمض الكربونيك تتكون من رابطة ثنائية بين الكربون والأكسجين، بالإضافة إلى روابط أحادية بين الكربون والأكسجين، كما وتحتوي كل ذرات الأكسجين المشاركة في رابطة واحدة مع الكربون على ذرة هيدروجين واحدة مرتبطة بها.

• حمض الكربونيك الذي يتكون من عملية انحلال ثاني أكسيد الكربون وتحلله المائي في الماء، هو عبارة عن عامل الترشيح الطبيعي الرئيسي في العديد من النظم البيئية المعتدلة، وحمض الكربونيك ضعيف وغير مستقر ويتفكك بسرعة إلى أيونات الهيدروجين (H +) بالإضافة إلى أيونات البيكربونات (HCO3–).

• إن حمض الكربونيك (H2CO3) عبارة عن مركب من عناصر الهيدروجين والكربون والأكسجين، حيث أنه يتشكل بكميات صغيرة عندما يذوب أنهيدريد ثاني أكسيد الكربون (CO2) في الماء كما في المعادلة الكيميائية التالية:

CO₂ + H₂O ⇌ H₂CO₃

• إن الأنواع المنتشرة هي ببساطة عبارة عن جزيئات ثاني أكسيد الكربون غير المرطبة، حيث أنه من الممكن أن يتم اعتبار حمض الكربونيك عبارة عن حمض ثنائي البروتونات، والذي يمكن عن طريقه تكوين سلسلتين من الأملاح وهما كربونات الهيدروجين التي تحتوي على (-HCO3) والكربونات التي تحتوي على (CO3-2).

⁻H₂CO₃ + H₂O ⇌ H₃O⁺ + HCO₃

⁻HCO₃⁻ + H₂O ⇌ H₃O⁺ + CO₃²

• في الحقيقة وبعيدا عما سبق فإن السلوك الحامضي أو القاعدي لحمض الكربونيك يعتمد على المعدلات المختلفة لبعض التفاعلات المعينة، وذلك إضافة إلى اعتمادها على ما يعرف بالرقم الهيدروجيني للنظام، وعلى سبيل المثال فإنه عند درجة حموضة أقل من 8، تكون التفاعلات الرئيسية وسرعتها النسبية كما يلي:

CO₂ + H₂O ⇌ H₂CO₃ (slow)

H₂CO₃ + OH⁻ ⇌ HCO₃⁻ + H₂O (fast)

• وعندما يكون أعلى من الرقم الهيدروجيني 10 فإن التفاعلات التالية تكون مهمة وبالصورة التالية:

CO₂ + OH⁻ ⇌ HCO₃⁻ (slow)

HCO₃⁻ + OH⁻ ⇌ CO₃²⁻ + H₂O (fast)

• أما بين قيم الأس الهيدروجيني 8 و 10 فإنه تكون جميع تفاعلات التوازن المذكورة أعلاه مهمة، كما ويشارك ثاني أكسيد الكربون عند إذابته في الماء في التوازن الكيميائي التالي:

CO₂ + H₂O ⇌ H₂CO₃

• ومع ذلك فإنه يتم تحويل كمية صغيرة فقط من ثاني أكسيد الكربون إلى حمض الكربونيك في التوازن الكيميائي الموصوف أعلاه.

خصائص حمض الكربونيك

يتم سرد بعض الخصائص الفيزيائية والكيميائية الهامة لحمض الكربونيك كالتالي:

الخصائص الفيزيائية

• تبلغ الكتلة المولية لحمض الكربونيك 62.024 جرامًا لكل مول، وتبلغ كثافته في حالته القياسية 1.668 جرام لكل سنتيمتر مكعب، ويمتلك قيمة (pKa 6.35)، علما أن القاعدة المترافقة المقابلة لحمض الكربونيك هي البيكربونات، وهذا المركب موجود بشكل عام كمحلول ومع ذلك فقد تم الإبلاغ عن أن عينات (H2CO3) الصلبة قد تم تحضيرها بواسطة علماء ناسا.

الخصائص الكيميائية

• إن مركب (H2CO3) هو عبارة عن حمض ضعيف وغير مستقر بطبيعته، كما ويخضع لتفكك جزئي في وجود الماء من أجل إنتاج أيونات الهيدروجين وبيكربونات، إن حمض الكربونيك هو حمض ثنائي البروتين وبالتالي من الممكن أن يشكل نوعين من الأملاح وهما البيكربونات والكربونات.

• تؤدي إضافة كمية صغيرة من القاعدة إلى (H2CO3) إلى إنتاج أملاح البيكربونات، بينما تؤدي إضافة القاعدة في الغلات الزائدة إلى أملاح الكربونات، ويمكن ملاحظة أنه يمكن الحصول على حمض الكربونيك كمنتج ثانوي لعمليات التخمير الصناعية أو حرق الوقود الأحفوري على نطاق صناعي.

استخدامات حمض الكربونيك

إن حمض الكربونيك عبارة عن مركب مهم للغاية مع مجموعة واسعة من التطبيقات، وهناك بعض هذه الاستخدامات لحمض الكربونيك مذكورة كالتالي:

• يتضمن تحضير المياه الغازية والنبيذ الفوار والمشروبات الغازية الأخرى استخدام حمض الكربونيك، كما ويستخدم في ترسيب العديد من أملاح الأمونيوم مثل بيرسلفات الأمونيوم، ويساعد في نقل ثاني أكسيد الكربون خارج الجسم، كما أن القواعد المختلفة التي تحتوي على النيتروجين في مصل الدم يتم إنتاجها بالبروتونات بواسطة حمض الكربونيك.

• يتم علاج السعفة ومبيدات الجلد الأخرى عن طريق تطبيق حمض الكربونيك على المنطقة المصابة، كما أن المحاليل التي تحتوي على هذا المركب فعالة جدًا في تنظيف العدسات اللاصقة، كما أنه يمتلك هذا الحمض دورًا في تجميع الكهوف وتشكيلاتها، علما أن أكبرها وأكثرها انتشارا هي تلك التي تشكلت عن طريق عملية انحلال الحجر الجيري أو الدولوميت بفعل المياه الغنية بحمض الكربونيك المشتق من هطول الأمطار مؤخرًا.

• يمتلك حمض الكربونيك دور مهم في عملية نقل ثاني أكسيد الكربون في الدم، إذ أنه يدخل مركب ثاني أكسيد الكربون الدم في الأنسجة، وذلك بسبب أن الضغط الجزئي المحلي له يكون أكبر من الضغط الجزئي في الدم المتدفق عبر الأنسجة، وعندما يدخل مركب ثاني أكسيد الكربون الدم فإنه يتحد مع الماء؛ وذلك من أجل أن يتم تكوين حمض الكربونيك والذي يتفكك إلى أيونات الهيدروجين (H +) وأيونات البيكربونات (HCO3-).

• يستخدم حمض الكربونيك على نطاق واسع في تحضير المشروبات الغازية مثل المشروبات الغازية والنبيذ الفوار وغيرها من المشروبات، كما ويستخدم حمض الكربونيك أيضًا في العديد من المجالات الأخرى مثل الأدوية ومستحضرات التجميل والأسمدة ومعالجة الأغذية والمخدرات وما إلى ذلك.

• في الواقع إن حمض الكربونيك لا يعد سام أو خطير، كما أنه يتواجد في جسم الإنسان، ولكن مع ذلك فإن التعرض له بتراكيز مرتفعة من الممكن أن يؤدي إلى تهيج العينين والجهاز التنفسي.