# حمض الكربونيك

حمض الكربونيك هو الحمض يوجد في المحاليل الناتجة عن حل غاز ثنائي أكسيد الكربون في الماء، وله الصيغة الكيميائية H$_2$CO$_3$. أملاح حمض الكربونيك هي البيكربونات $^-$HCO$_3$ والكربونات ‏ CO$_3$$^{2−}$ ، وهو من الأحماض الضعيفة. يلعب حمض الكربونيك دوراً أساسياً في ضبط pH الوسط بالنسبة للماء والدم في الجسم.

## التحضير

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:
    CO$_2$ + H$_2$O ⇌ H$_2$CO$_3$
يكون ثابت توازن تفاعل الإماهة عند الدرجة 25°س K$_h$= 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.

## تفاعلات التوازن

كما ذكر أعلاه فإن غاز ثنائي أكسيد الكربون المنحل في الماء يكون على توازن مع حمض الكربونيك:
    CO$_2$ + H$_2$O ⇌ H$_2$CO$_3$ (1)
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:
H$_2$CO$_3$ + H$_2$O ⇌ HCO$_3$$^-$ + H$_3$O $^+$ (2)
تكون قيمة ثابت انحلال الحمض pK$_a$ 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:
CO$_2$ + 2H$_2$O ⇌ H$_3$O + + HCO$_3$ $^-$ (3)
والتي تكون قيمة ثابت انحلال الحمض فيها 6.55، وهي القيمة المقاسة.
في خطوة الانحلال الثانية لحمض الكربونيك تتشكل أملاح الكربونات حسب المعادلة:
HCO$_3$ $^-$ + H$_2$O ⇌ CO$_3$ $^{2-}$ + H$_3$O $^+$ (4)
يكون لثابت انحلال الحمض في الخطوة الثانية قيمة تبلغ 10.5.

### تأثير قيمة الأس الهيدروجيني على تركيب محاليل حمض الكربونيك

عند درجة حرارة معينة فإن تركيب محاليل حمض الكربونيك يتعلق بشكل رئيسي بالضغط الجزئي لغاز ثنائي أكسيد الكربون $\scriptstyle p_{CO_{2}}$ فوق المحلول. لمعرفة النسب المكونة لحمض الكربونيك حسابياً، يجب الأخذ بعين الاعتبار لكل من ثوابت التوازن بين الأنواع المختلفة الموجودة ضمن المحلول وهي ‏ (H$_2$CO$_3$ و ‏HCO$_3$$^−$ و ‏ CO$_3$$^{2−}$)، بالإضافة إلى ثوابت توازن تفاعل الإماهة بين CO$_2$ المنحل وH$_2$CO$_3$ مع اعتبار وجود نسبة ثابتة من $\scriptstyle K_{h}={\frac {[H_{2}CO_{3}]}{[CO_{2}]}}$، وباعتماد العلاقة التالية بين غاز CO$_2$ المنحل و CO$_2$ الغازي الموجود فوق المحلول:
    CO$_2$(غاز) ↔ CO$_2$(محلول) حيث $\scriptstyle {\frac {[CO_{2}]}{p_{CO_{2}}}}={\frac {1}{k_{\mathrm {H} }}}$ حيث k$_H$=29.76 atm/(mol/L) عند 25 °C (ثابت هنري🗯🗯)
إن معادلات التوازن بالإضافة إلى العلاقة $\scriptstyle [H^{+}][OH^{-}]=10^{-14}$ وعلاقة الاعتدال لحمض الكربونيك $\scriptstyle [H^{+}]=[OH^{-}]+[HCO_{3}^{-}]+2[CO_{3}^{2-}]$ تعطي بالنهاية ست معادلات حاوية على ست مجاهيل وهي كل من تركيز [CO$_2$] و [H$_2$CO$_3$] و [$^+$H] و [$^−$OH] و [HCO$_3$$^−$] و [CO$_3$$^{2−}$]، وتظهر أن تركيب المحلول يعتمد بالإطلاق على $\scriptstyle p_{CO_{2}}$.
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:
| $\scriptstyle P_{CO_{2}}$ (atm) | pH | [CO$_2$] (mol/L) | [H$_2$CO$_3$] (mol/L) | [HCO$_3$$^−$] (mol/L) | [CO$_3$$^{2−}$] (mol/L) |
| 10$^{−8}$ | 7.00 | 3.36 × 10$^{−10}$ | 5.71 × 10$^{−13}$ | 1.42 × 10$^{−9}$ | 7.90 × 10$^{−13}$ |
| 10$^{−6}$ | 6.81 | 3.36 × 10$^{−8}$ | 5.71 × 10$^{−11}$ | 9.16 × 10$^{−8}$ | 3.30 × 10$^{−11}$ |
| 10$^{−4}$ | 5.92 | 3.36 × 10$^{−6}$ | 5.71 × 10$^{−9}$ | 1.19 × 10$^{−6}$ | 5.57 × 10$^{−11}$ |
| 3.5 × 10$^{−4}$ | 5.65 | 1.18 × 10$^{−5}$ | 2.00 × 10$^{−8}$ | 2.23 × 10$^{−6}$ | 5.60 × 10$^{−11}$ |
| 10$^{−3}$ | 5.42 | 3.36 × 10$^{−5}$ | 5.71 × 10$^{−8}$ | 3.78 × 10$^{−6}$ | 5.61 × 10$^{−11}$ |
| 10$^{−2}$ | 4.92 | 3.36 × 10$^{−4}$ | 5.71 × 10$^{−7}$ | 1.19 × 10$^{−5}$ | 5.61 × 10$^{−11}$ |
| 10$^{−1}$ | 4.42 | 3.36 × 10$^{−3}$ | 5.71 × 10$^{−6}$ | 3.78 × 10$^{−5}$ | 5.61 × 10$^{−11}$ |
| 1 | 3.92 | 3.36 × 10$^{−2}$ | 5.71 × 10$^{−5}$ | 1.20 × 10$^{−4}$ | 5.61 × 10$^{−11}$ |
| 2.5 | 3.72 | 8.40 × 10$^{−2}$ | 1.43 × 10$^{−4}$ | 1.89 × 10$^{−4}$ | 5.61 × 10$^{−11}$ |
| 10 | 3.42 | 0.336 | 5.71 × 10$^{−4}$ | 3.78 × 10$^{−4}$ | 5.61 × 10$^{−11}$ |

#### خلاصة

* يظهر أنه ومن خلال مجال واسع من الضغط فإن قيمة الـ pH هي أقل بكثير من قيمة pK$_{a2}$، أي أن تركيز CO$_3$$^{2−}$ دوما أقل من تركيز $^-$HCO$_3$ .
* عند تناقص قيمة $\scriptstyle p_{CO_{2}}$ (ضغوط منخفضة) فإن pH الوسط يصبح قريباً من تلك للماء (pH = 7)، ويكون الشكل السائد هو$^-$HCO$_3$.
* عند الضغط الجوي النظامي ($\scriptstyle P_{CO_{2}}=3.5\times 10^{-4}$ atm)، نحصل على محلول حمضي خفيف (pH = 5.7)، ويكون الكربون المنحل على شكل CO$_2$. وبارتفاع قيمة الضغط من هذه النقطة فإن تركيز [$^−$OH] يصبح أيضاً مهملا بحيث أن القسم المتأين من المحلول عبارة عن محلول بنسبة متساوية من H$^+$ و HCO$_3$$^−$.
* بالنسبة إلى ضغط غاز ثنائي أكسيد الكربون المطبق عادة في علب الكولا ($\scriptstyle P_{CO_{2}}$ ~ 2.5 atm)، يكون للأس الهيدروجيني pH قيمة منخفضة نسبياً (وسط حمضي) وبوجود تركيز عال من CO$_2$. لذلك فإن للمشروبات الغازية طعم حامض ولذلك تكون فوارة.
* عند ضغوط تتراوح بين 2.5 و 10 atm فإن قيمة ال pH تتجاوز قيمة pKa$_1$ ويكون التركيز السائد هو تركيز H$_2$CO$_3$.
* بإهمال قيمة [CO$_3$$^{2−}$] (حسب ما ورد أعلاه) فإنه من الممكن اشتقاق علاقة تحليلية تعطي تركيز [$^+$H] بالنسبة لمحاليل حمض الكربونيك، وبالتالي تعطي علاقة لتحديد قيمة pH الوسط
    $\scriptstyle [H^{+}]\simeq \left(10^{-14}+{\frac {K_{h}K_{a1}}{k_{\mathrm {H} }}}p_{CO_{2}}\right)^{1/2}$

## اقرأ أيضا

* حمض الكبريتيك
* بيكربونات
* كبريتات

## مراجع

* 1 2 3 carbonic acid (بالإنجليزية), QID:Q278487
* ↑ ChEBI release 2020-09-01، 1 سبتمبر 2020، QID:Q98915402
* ↑ Robert C. Weast (1988). Robert C. Weast (ed.). CRC Handbook of Chemistry and Physics (1st student edition) (بالإنجليزية) (1st ed.). CRC Press. ISBN:978-0-8493-0740-9. OL:2397021M. QID:Q23576506.
* ↑ M. H. Moore؛ R. K. Khanna (1990). "Infrared and mass spectral studies of proton irradiated H$_2$O + CO$_2$ ice: Evidence for carbonic acid". Spectrochimica Acta Part A. DOI:10.1016/0584-8539(91)80097-3.
* ↑ Acid-Base Physiology 2.1 – Acid-Base Balance by Kerry Brandis. نسخة محفوظة 31 ديسمبر 2017 على موقع واي باك مشين.
* ↑ Nomenclature of Organic Chemistry : IUPAC Recommendations and Preferred Names 2013 (Blue Book). Cambridge: الجمعية الملكية للكيمياء. 2014. ص. 414, 781. DOI:10.1039/9781849733069-FP001. ISBN:978-0-85404-182-4.
* بوابة الكيمياء