Interacción del dióxido de carbono con el agua
Las síntesis con participación de átomos de carbono se utilizan activamente en química orgánica, ya que el carbono es capaz de unir diversos átomos y moléculas. Un compuesto inorgánico clave es el óxido de carbono(IV), conocido como dióxido de carbono (CO2). Es una sustancia químicamente activa y estable. Desde el punto de vista biológico, es indispensable: sirve como fuente básica de carbono para los procesos de fotosíntesis en las plantas y, en las células vivas, es el producto final de la oxidación de diversos compuestos orgánicos.
Al entrar en contacto con el agua, el dióxido de carbono muestra una solubilidad moderada. Durante el proceso de disolución se produce una reacción reversible cuyo producto es el ácido carbónico (H2CO3). Es importante comprender que este es un compuesto sumamente inestable que muestra propiedades de ácido débil. En condiciones reales, no más del 0,2% del volumen total de gas disuelto se transforma en la forma de ácido. Precisamente la presencia de este ácido confiere el característico sabor ligeramente ácido al agua que se satura con gas bajo presión para obtener agua carbonatada («gaseosa»).
Carbonatos e hidrogenocarbonatos: obtención y solubilidad
Las propiedades químicas del ácido carbónico le permiten formar dos clases de sales: neutras (carbonatos) y ácidas (hidrogenocarbonatos).
La formación de sales neutras ocurre cuando el dióxido de carbono es absorbido por álcalis sólidos o sus soluciones. Por ejemplo, la reacción con hidróxido de sodio produce el clásico carbonato de sodio (Na2CO3). La obtención de sales ácidas requiere condiciones especiales: se forman ya sea haciendo pasar un exceso de CO2 a través de la solución, o añadiendo gradual y cuidadosamente un ácido fuerte a la solución de carbonato.
Las reglas de solubilidad para estas dos clases difieren sustancialmente.
- Los carbonatos, en su gran mayoría, son insolubles; precipitan las sales de muchos cationes divalentes (calcio, magnesio, hierro(II)). Las únicas excepciones son los carbonatos de amonio y de metales alcalinos, que son muy solubles.
- Los hidrogenocarbonatos se disuelven mucho mejor en agua, y esta regla también se extiende a las sales ácidas de metales divalentes.
Se observa una paradoja interesante en las sales de sodio: el bicarbonato sódico (NaHCO3) es mucho menos soluble en agua que la sal neutra (Na2CO3). En esta propiedad se basa su método de obtención: si se hace pasar dióxido de carbono a través de una solución concentrada de carbonato de sodio, el hidrogenocarbonato precipita.
Una ilustración natural de la transición de las sales de un estado a otro es el karst, el proceso de destrucción de macizos de piedra caliza con la formación de cuevas. El carbonato de calcio insoluble, bajo la acción del agua y el dióxido de carbono disuelto, se transforma en hidrogenocarbonato de calcio soluble y es lixiviado gradualmente.
Hidrólisis y equilibrio ácido-base
En soluciones acuosas, las sales del ácido carbónico sufren hidrólisis, pero el grado en que esta se produce depende estrictamente del tipo de sal.
Las sales neutras (carbonato de sodio) se hidrolizan en un grado bastante significativo. A una concentración de solución de 0,1 mol/l, el grado de hidrólisis alcanza el 4% y el indicador de hidrógeno (pH) asciende hasta 11,7. Conclusión: en solución, esta sal funciona como una base comparativamente fuerte.
Los hidrogenocarbonatos están sujetos a hidrólisis en un grado mucho menor. La solución de bicarbonato sódico tiene un pH de aproximadamente 8,5, es decir, las propiedades básicas en ella se expresan con más fuerza que las ácidas. La principal característica química de las sales ácidas es su anfoterismo. Son capaces de reaccionar tanto con ácidos típicos como con álcalis fuertes (por ejemplo, KOH).
El papel biológico del hidrogenocarbonato de sodio es enorme. Es un componente constante de la sangre humana y cumple la función de un sistema tampón sumamente importante. Su tarea principal es la neutralización rápida de los vapores de ácidos agresivos que ingresan al organismo desde el aire atmosférico.
Comportamiento frente a ácidos y calentamiento
Si se añade un ácido fuerte en exceso a cualquier sal del ácido carbónico, el ácido carbónico es desplazado de inmediato y se descompone al instante en agua y dióxido de carbono. La liberación de burbujas de CO2 sirve como un signo fiable de la reacción, incluso para los carbonatos insolubles en agua bajo la acción de soluciones diluidas de ácidos fuertes.
La estabilidad térmica de las sales obedece a estrictas regularidades. La regla general establece que la gran mayoría de los carbonatos se destruyen al calentarse con la liberación de óxido de carbono(IV).
- El carbonato de amonio se distingue por una resistencia al calor especialmente baja.
- Solo los carbonatos de metales alcalinos (sodio, potasio) poseen propiedades únicas. Son capaces de fundirse sin descomposición química (el punto de fusión del Na2CO3 es de 851 °C).
- La piedra caliza (CaCO3) experimenta descomposición térmica al ser calentada en cal (CaO) y dióxido de carbono. Al calentarla hasta 950 °C, el proceso transcurre prácticamente por completo en sentido directo. En el intervalo de temperatura de 700–900 °C, la reacción es típicamente reversible y el equilibrio puede desplazarse alterando la presión del dióxido de carbono.
En resumen: respuestas a preguntas sobre el tema
¿De qué componentes consta el sistema tampón de hidrogenocarbonato de la sangre?
El sistema tampón de hidrogenocarbonato de la sangre consta del ion hidrogenocarbonato y del ácido carbónico. En condiciones fisiológicas, todo el dióxido de carbono disuelto e hidratado se considera ácido carbónico. Por lo tanto, la composición del sistema se expresa como la relación entre el anión y la suma del gas disuelto y el ácido: HCO₃⁻/(CO₂ + H₂CO₃). En condiciones normales, la relación entre el hidrogenocarbonato y el dióxido de carbono es de 20:1, lo que significa que el sistema de hidrogenocarbonato tiene una capacidad tampón frente a los ácidos significativamente mayor que frente a las bases.
¿Cuál es la papel fisiológico del dióxido de carbono en el organismo humano además de ser el producto final de la oxidación?
El dióxido de carbono desempeña una serie de funciones fundamentales, sin limitarse a su papel de producto final del metabolismo.
- Regulación de la respiración: actúa como estimulante fisiológico del centro respiratorio.
- Mantenimiento del pH: actúa como componente del sistema tampón de hidrogenocarbonato de la sangre, asegurando la compensación de los desplazamientos del estado ácido-base.
- Metabolismo: participa en diversos procesos metabólicos del organismo.
«Los alcalinos y el amonio se disuelven en agua; los alcalinos no se descomponen en el fuego». En el sodio hay una excepción: la sal ácida se disuelve peor que la neutra.
Preguntas de clases y exámenes
¿Cómo demostrar la presencia de carbonatos en un precipitado?
Es necesario añadir una solución diluida de cualquier ácido fuerte. El ácido carbónico será desplazado y se descompondrá inmediatamente con la liberación de burbujas de dióxido de carbono.
¿Por qué el hidrogenocarbonato de sodio se utiliza como tampón en la sangre?
Muestra propiedades anfóteras y actúa como una base comparativamente fuerte capaz de neutralizar rápidamente los vapores ácidos que penetran en el organismo desde el aire.
¿Cómo se forman las cuevas kársticas?
Los macizos sólidos de piedra caliza (carbonato de calcio insoluble) reaccionan con el agua y el dióxido de carbono, transformándose en hidrogenocarbonato muy soluble, el cual es lixiviado por el agua.
¿Se destruyen los carbonatos al calentarlos?
La mayoría, sí, con liberación de dióxido de carbono. La excepción son los carbonatos de metales alcalinos (por ejemplo, Na2CO3), que se funden sin descomponerse.
Qué más repasar sobre el tema
- Escritura de ecuaciones de hidrólisis de carbonato de sodio y de amonio con indicación del medio.
- Propiedades anfóteras de los hidrogenocarbonatos: ecuaciones de reacciones con HCl y KOH.
- Influencia de la presión de dióxido de carbono en el desplazamiento del equilibrio durante la calcinación de la piedra caliza.
- Sistemas tampón sanguíneos y mecanismo de neutralización de ácidos.
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