Acido carbonico: dissociazione, soluzioni tampone

L’ acido carbonico è un ossiacido diprotico avente formula H₂CO₃ in cui il carbonio ha numero di ossidazione +4
Si forma in piccole quantità quando il biossido di carbonio contenuto nell’atmosfera si solubilizza in acqua secondo la legge di Henry:

Il primo equilibrio di dissociazione dell’acido carbonico è:
CO_2(g) ⇄ CO_2(aq)

Si ha che

[CO_2(aq)]/ p CO_2(g) = 1 / K_H essendo K_H la costante di Henry che a 25 °C vale 29.76 atm L/mol

Il secondo equilibrio coinvolge la reazione tra il biossido di carbonio presente in soluzione e l’acqua con formazione dell’acido carbonico:

CO_2(aq) + H₂O_(l) ⇄ H₂CO_3(aq)

Questo equilibrio è regolato da una costante detta di idratazione che, in acqua vale

K_h = [H₂CO₃]/[ CO₂]= 1.70∙10⁻³ a 25 °C

mentre in acqua di mare vale circa 1.2 ∙ 10^-3.
Quindi la maggior parte del biossido di carbonio non diviene acido carbonico ma rimane come tale e, in assenza di catalizzatori, la reazione decorre lentamente

Equilibri di dissociazione

L’acido carbonico è soggetto a due equilibri di dissociazione:

H₂CO_3(aq) + H₂O_(l) ⇄ HCO₃^– _(aq)  + H₃O⁺_(aq)
K_a1 =  2.5∙10⁻⁴  = [HCO₃^–][H₃O⁺]/[ H₂CO₃]  a 25 °C

Bisogna tuttavia tenere presente che poiché in soluzione acquosa si trova in equilibrio con il biossido di carbonio la concentrazione di H₂CO₃ è molto minore rispetto alla concentrazione di CO₂.

Il secondo equilibrio dello ione idrogenocarbonato a carbonato è:

HCO₃^– _(aq)  + H₂O_(l) ⇄ CO₃^2- _(aq)  + H₃O⁺_(aq)
K_a2 =  4.69∙10⁻¹¹  = [CO₃^2-][ H₃O⁺]/[ HCO₃^–]  a 25 °C

In un sistema aperto il biossido di carbonio presente in soluzione è in equilibrio con  quello contenuto nell’aria quindi a una determinata temperatura la composizione della soluzione è determinata dalla pressione parziale di CO₂ che si trova a contatto con la soluzione.

Soluzioni tampone biologiche

Le soluzioni tampone biologiche aiutano a mantenere il corpo ad un pH corretto in modo che i processi biochimici possano avvenire in modo ottimale.

Le reazioni biochimiche sono particolarmente sensibili al pH infatti le molecole biologiche contengono gruppi di atomi che possono caricarsi o essere neutri in funzione del pH e ciò ha effetto sull’attività biologica della molecola.

Tra le soluzioni tampone biologiche vi è il tampone acido carbonico/ idrogeno carbonato in cui H₂CO₃ funge da donatore di ioni H⁺ (acido di Brønsted e Lowry) mentre HCO₃^– funge da accettore di ioni H⁺ (base di Brønsted e Lowry)

Piogge acide

Le piogge acide sono una qualsiasi forma di precipitazione come pioggia, neve o grandine contenente componenti acidi, come l’acido solforico o nitrico che cadono a terra dall’atmosfera.
L’immissione di alcuni gas nell’atmosfera dovuti a fonti antropiche ha portato, a partire dalla Prima Rivoluzione Industriale, a notevoli problematiche che hanno contribuito a cambiamenti climatici dovuti principalmente ai gas serra e alla formazione di piogge acide dovute agli ossidi acidi

Anche se l’acido carbonico non può essere  isolato, è consuetudine ritenere che il biossido di carbonio  reagisca con l’acqua per dare l’acido carbonico. L’acidità dell’acqua piovana deriva principalmente dalla prima ionizzazione di quest’acido.

La pioggia in equilibrio con il biossido di carbonio presente nell’atmosfera alla sua pressione parziale normale di 0.00035 atm ha un pH di circa 5.6. La pioggia acida reagisce con metalli e rocce come il calcare. Di conseguenza, edifici e statue vengono danneggiati, in particolare quelli fatti di carbonato di calcio. Inoltre aumenta anche il tasso di corrosione delle strutture metalliche come ponti e statue e danneggia lo strato ceroso sulle foglie degli alberi.

Usi

L’acido carbonico è ampiamente utilizzato nella produzione di bevande analcoliche, vini gassati artificialmente e altre bevande frizzanti. I sali dell’acido carbonico sono chiamati bicarbonati o carbonati acidi e carbonati.

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