O Nerd da Quimica

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ELE EXISTE, AFINAL!

Posted by o nerd da quimica on November 28, 2011 at 6:30 PM

Ver também:

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- ENFIM, COMPROVADO: ELE EXISTE!

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Comprimido efervescente se dissolvendo na água. Nesta reação, o bicarbonato de sódio (NaHCO3) e um ácido, ambos presentes no comprimido, reagem entre si produzido o ácido carbônico, que se decompõe formando água e dióxido de carbono (gás carbônico, CO2). O gás carbônico é liberado sob a forma de bolhas.

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Estrutura molecular do ácido carbônico (H2CO3).

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As estalactites que ocorrem em certas cavernas são formadas por carbonato de cálcio (CaCO3), um sal insolúvel do ácido carbônico. Elas se formam quando água com CO2 dissolvido passa por terrenos calcáreos (também é carbonato de cálcio), dissolvendo seus componentes (CaCO3 se dissolve em excesso de solução de ácido carbônico). Durante o gotejamento, cristais de carbonato de cálcio se formam quando o excesso de gás carbônico escapa para o ambiente.

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O ácido carbônico (H2CO3) é um composto bem comum. Ele se forma quando se reage o gás carbônico (CO2) com a água ou um ácido com um bicarbonato ou carbonato, como na famosa reação química entre o vinagre e o bicarbonato de sódio. Ele existe nos refrigerantes, na água com gás, se forma quando um comprimido efervescente ou um sal de frutas se mistura com água, se forma na chuva quando o CO2 do ar se dissolve na água, está presente como agente tamponante no sangue... Em todo livro de química ele está lá; todo estudante de química vai trombar com ele em alguma página do livro e com toda a certeza ele vai cair na prova. Mas eu te garanto uma coisa: em nenhum laboratório de química do planeta você encontra na prateleira um frasco cheio de ácido carbônico puro.

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De acordo com os livros didáticos, há uma explicação para essa assombrosa constatação: o ácido carbônico é um composto instável. Sempre que é produzido numa reação, ele se decompõe rapidamente em água (H2O) e gás carbônico (CO2), o que explica as bolhas de gás liberadas nessas reações. Isso significa dizer que o ácido carbônico puro não existe; ele ocorre como um composto de curta duração que só existe em solução, em um delicado equilíbrio com os íons oriundos de sua dissociação em água e com o CO2 dissolvido:

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CO2 + H2O <--> [H2CO3] <--> H(+) + HCO3(-) 

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Nunca, até então, um cientista havia conseguido obter uma amostra de ácido carbônico em estado puro. Há muito tempo eles aparentemente haviam desistido e consideraram sua purificação impossível. Não se conhecia seu estado físico, seu ponto de fusão nem o ponto de ebulição. Até agora.

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Recentemente, alguns pesquisadores trabalhando com os cientistas austríacos Klaus R. Liedl, Erwin Mayer e Hallbrucker Andreas conseguiram, enfim, isolar e caracterizar o ácido carbônico puro, tanto no estado sólido quanto no estado gasoso. Isso é um feito muito importante para a ciência, pois eles conseguiram quebrar um tabu de mais de um século na química. Foi uma verdadeira revolução para a ciência! Eles descobriram que a molécula de H2CO3, em algumas condições, é muito estável. À temperatura ambiente, uma molécula do ácido persiste com uma meia-vida  de 180 mil anos sem se decompor. Mas por que ele se decompõe tão rapidamente, se os cálculos e os estudos demonstram que ele deveria ser muito estável? O que há de errado?Através da realização de alguns cálculos teóricos, eles descobriram em que condições o ácido carbônico é estável, e por que essa estabilidade não foi reconhecida por tanto tempo.

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Realmente, a decomposição de H2CO3 em H2O e CO2 é um processo energeticamente favorável, que poderia ocorrer espontaneamente. Isso porque os produtos formados (H2O e CO2) são mais estáveis que o reagente. Entretanto, foi descoberto por meio de alguns cálculos que o ácido carbônico não consegue se decompor sozinho. Ele "não tem força" para iniciar sozinho seu processo de decomposição, ou seja, precisa de uma "ajudinha" para se decompor. Uma analogia: a reação da madeira com o oxigênio (queima) é um processo energeticamente favorável. Porém a madeira e o oxigênio podem coexistir por tempo indeterminado sem que a reação se inicie. Para que ela ocorra, é necessário aquecer a madeira a uma temperatura adequada para atingir a energia de ativação. Os gases hidrogênio (H2) e oxigênio (O2) reagem facilmente para formar água. Entretanto, uma mistura desses gases nas proporções adequadas pode ser guardada durante anos sem que uma única molécula de água se forme. Mas essa reação ocorre imediatamente na presença de uma faísca ou de um catalisador tal como a platina. No caso do ácido carbônico, o catalisador necessário para provocar sua decomposição é... pasmem: a água!

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A água desempenha o papel crucial na decomposição do ácido carbônico. Esta constatação espanta pela sua simplicidade e pelo fato de ninguém ter levado isso em consideração até agora. Isso explica porque o ácido carbônico nunca tinha sido isolado antes: todas as reações que os cientistas efetuavam para tentar obtê-lo eram realizadas em solução aquosa!

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Quando um pedaço de mármore (composto principalmente por carbonato de cálcio) entra em contato com uma solução de ácido, bolhas de CO2 são liberadas. Elas são provenientes da decomposição do ácido carbônico formado na reação.

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O ácido carbônico, por si só, é realmente uma molécula bastante estável. No entanto, o ácido carbônico se decompõe imediatamente quando entra em contato com a água. Uma única molécula de água é suficiente para acelerar a decomposição de uma molécula de ácido carbônico um bilhão de vezes. Duas moléculas aceleram sua decomposição cerca de 50 bilhões de vezes. Mesmo minúsculos traços de água podem destruir rapidamente uma amostra de H2CO3, gerando uma reação em cadeia, já que a água é um dos produtos da decomposição. A equação real da decomposição do ácido carbônico agora fica sendo assim:

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H2CO3 + 2H2O --> CO2 + 3H2O

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O processo pelo qual a água catalisa a decomposição do ácido já foi elucidado. Ele ocorre da seguinte forma:

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1- Duas moléculas de água se unem por meio de pontes de hidrogênio a uma molécula de H2CO3. Forma-se um intermediário cíclico, como visto na imagem abaixo:

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2- Esta conformação é favorável para que ocorra uma troca de posições entre as ligações covalentes e pontes de H no intermediário. Por meio de um "salto de prótons", o hidrogênio de um dos grupos -OH do ácido carbônico migra, através das moléculas de água, para o outro grupo -OH do ácido, fazendo com que ele se torne uma molécula de H2O que se desprende da estrutura do ácido. O que sobra é uma molécula de CO2 (imagem abaixo):

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3 - As moléculas envolvidas se separam. Ocorre então o desmantelamento da molécula do ácido, que se separa formando uma molécula de CO2 e uma de H2O, além de regenerar as duas moléculas de água que iniciaram o processo. Essas moléculas de água, juntamente com a formada na decomposição, irão catalisar a decomposição de outras moléculas do ácido, reiniciando o ciclo. Vejam essa reação completa na animação abaixo: 

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Compostos químicos relacionados ao ácido carbônico, tais como os bicarbonatos e os ácidos carboxílicos não conseguem reagir da mesma maneira e por isso são estáveis em solução aquosa.

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O íon bicarbonato (HCO3(-)), em solução, forma um intermediário cíclico similar ao do ácido carbônico, mas não se decompõe porque o produto formado após o "salto de prótons" é igual à espécie que reagiu, ou seja, o íon bicarbonato virtualmente não sofreu alteração. Um caso semelhante ocorre com os ácidos carboxílicos.

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Essas pesquisas provaram sim que é possível isolar o ácido carbônico, e provaram que ele de fato é estável e que realmente existe. Ele se apresenta  à temperatura ambiente no estado sólido, como esperado analisando sua estrutura. Pode ser armazenado por muito tempo na total ausência de água. Essa verdadeira conquista da ciência abre um leque de novas utilidades e possibilidades para o ácido carbônico. Ele pode ser muito abundante no universo, já que gelos de água e CO2 estão presentes em nebulosas, cometas e em torno de estrelas, e quando uma mistura de H2O e CO2 sólidos é irradiada por radiações de alta energia (ultravioleta, raios cósmicos, etc), eles reagem facilmente entre si formando o H2CO3

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--> SÍNTESE

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Ácido carbônico puro pode ser produzido por pelo menos dois métodos:

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1- Irradiando uma mistura congelada de água e CO2 com radiação de alta energia (ultravioleta, etc), aquecendo posteriormente para que a água seja removida. O resíduo é formado por ácido carbônico sólido.

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2- Reação de uma solução de ácido e bicarbonato em camadas de vidro alternadas no vácuo. A água é removida por vaporização, pois ela ferve espontaneamente no vácuo. O que resta é ácido carbônico sólido misturado com o sal formado como o outro produto da reação. O ácido carbônico pode ser separado por sublimação, passando para o estado gasoso e posteriormente solidificado de novo em estado puro.

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--> UTILIDADES FUTURAS:

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Além dos usos comuns do ácido carbônico na química (na forma de solução de CO2), um uso futuro interessante para o ácido puro pode ser como um detector de água em meios não-aquosos: como mesmo traços ínfimos de água fazem o ácido se decompor rapidamente, ele pode ser muito útil para detectar umidade em amostras de solventes destinados a reações químicas na qual a água não pode estar presente, como em solução etérea de boranos e hidreto de alumínio e lítio  (LiAlH4), que podem explodir em contato com a água. Se ocorrer liberação de bolhas de gás, é sinal de que tem água ali.

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--> Referências:

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* ENFIM, COMPROVADO: ELE EXISTE! 

Pergunte a um cientista (...) (em inglês)

* carbonic acid- Wikipedia (em inglês)

* Ele existe, afinal (em inglês)

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O NERD DA QUÍMICA, Nova Venécia - ES

 

Categories: Explicações sobre química

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