Kwas co ma gaz

W letnie, upalne dni, najchętniej nic byśmy nie robili, tylko leżeli w cieniu i popijali coś chłodnego. Na przykład wodę. Taką gazowaną, z bąbelkami i szczypiącym, kwaśnym posmaku. I być może czasem zastanowi nas, jaki to gaz i jaki kwas...

Dwutlenek węgla jest bezbarwnym i w zasadzie bezwonnym gazem cięższym od powietrza, stanowiącym stale niewielki procent składu atmosfery. Został odkryty dosyć wcześnie - już w XVII wieku van Helmont zauważył, że jeśli masa popiołu po spaleniu węgla jest znacząco mniejsza od pierwotnej masy, to reszta musi ulegać zamianie w formę gazową. Ówcześni identyfikowali go z flogistonem - pierwiastkiem palności - i dalej się tą sprawą nie zajmowano. Dopiero w 1750 roku szkocki lekarz Joseph Black, znany też z badań nad ciepłem utajonym, poddał badaniom gaz powstający z potraktowania wapienia kwasem, stwierdzając, że jest różny od powietrza, ciężki i duszący, oraz że wytrąca osad z roztworu wapna gaszonego. Korzystając z tej ostatniej reakcji, stwierdził że występuje normalnie w powietrzu i w większych ilościach w tchnieniu zwierząt i ludzi. Późniejsi badacze doszli do tego, że gaz jest połączeniem tlenu i węgla i że reakcję czasem można odwrócić (przy spalaniu magnezu w dwutlenku węgla powstaje sadza), jednak dla nas istotniejsze jest odkrycie Josepha Priestly'a, trochę teologa a trochę przyrodnika-hobbysty, który badając przebieg fermentacji w miejscowym browarze, zainteresował się "zastałym powietrzem" - warstwą gazową nad fermentującą kadzią, uważaną za pracowników za niezdrową i od której zdychały myszy jeśli dostały się pod jej wpływ.

Wytwarzanie wody sodowej - rysunek Priestley'a z 1772 roku

Eksperymentując, umieścił nad kadzią miskę z wodą, chcąc sprawdzić rozpuszczalność tego gazu. Po zlaniu musującego roztworu stwierdził, że woda nabrała przyjemnego, lekko kwaśnego posmaku, a nawet dał go spróbować znajomym, twierdząc że to orzeźwiający napój bez alkoholu. Kilka lat później opisał go w artykule, dodając przepis na sztuczne otrzymanie - po zwilżeniu kredy kwasem siarkowym, powstający gaz przeprowadzał rurką do wody i po przepuszczeniu większej ilości otrzymywał napój, który uważał za bardzo podobny do naturalnych wód mineralnych i polecał na szkorbut. W zasadzie jednak nie traktował odkrycia inaczej jak ciekawostki i nie sądził, że znajdzie zastosowanie. Tymczasem producenci wód mineralnych powinni mu postawić pomnik - odkrycie, że zwykła woda staje się smacznym napojem po rozpuszczeniu w niej pospolitego gazu, do dziś przynosi im ogromne zyski.
Pierwszym, który wpadł na to, że jest to znakomity pomysł na interes, był niejako Jacob Schweppe, który w roku 1783 założył firmę Schweppes, istniejącą zresztą do dziś, produkując wody gazowane mające naśladować wody mineralne z naturalnych źródeł. Nieco później dla polepszenia smaku, do nagazowanej wody zaczęto dodawać nieco sody oczyszczonej, tworząc napój nazywany odtąd wodą sodową. I tak zaczął się przemysł napojów gazowanych.

Szybko jednak chemicy zaczęli się zastanawiać, dlaczego po rozpuszczeniu gazu, woda staje się kwaśna. Musi powstawać jakiś kwas - uznali - i nazwali go kwasem węglowym. W polskiej nomenklaturze dwutlenek węgla zaczął być z tego powodu nazywany niedokwasem węglowym. Taki też stan rzeczy trwał przez długi czas, aż zaczęły się problemy z wyizolowaniem czy choćby wykryciem tego kwasu w wodzie. Badania absorpcji w podczerwieni nie wykryły aby występował w choćby najbardziej nasyconych roztworach. W zamian za to wykrywano jony węglanowe i wodorowęglanowe, stąd też powstała koncepcja wedle której kwas węglowy nie istnieje. Jeszcze ja w technikum byłem upominany aby nie zapisywać jego cząsteczki w równaniu rozpuszczania dwutlenku węgla.

Jest to w pewnym stopniu podobna sytuacja jak z "wodorotlenkiem amonu". Rozpuszczenie amoniaku w wodzie da nam roztwór o zasadowym odczynie, toteż postulowano powstawanie w wodzie wodorotlenku amonu i przez długi czas zapisywano go w ten sposób. Dopiero potem dokładne badania wykazały, że cząsteczka taka nie powstaje - woda wymienia się protonem z amoniakiem, i tworzy się osobny jon wodorotlenkowy i osobny amonowy pozostające w równowadze. Wydawało się zatem, że tu jest podobnie - dwutlenek łączy się z wodą biorąc tlen i wodór do utworzenia jonu wodorowęglanowego, a pozostawiając wolny kation wodorowy; wodorowęglan dysocjuje dalej do anionu węglanowego, zaś kwas węglowy się nie tworzy. I wszystko było w porządku aż nie odkryto, że pogłoski o jego śmierci są mocno przesadzone.

Aby otrzymać czysty i stabilny kwas węglowy, należało zastosować dość specyficzne warunki - mieszaninę wody i dwutlenku węgla zamrożono i umieszczono pod niskim ciśnieniem, po czym napromieniowano - promieniowanie pozwoliło na połączenie dwóch różnych cząsteczek bez ogrzewania. Następnie zastosowano sublimację wody pod niskim ciśnieniem, otrzymując czysty, suchy związek.
Jak się okazało, bezwodny kwas węglowy jest dosyć trwały - obliczenia teoretyczne pokazały że czas połowicznego rozkładu to ponad sto tysięcy lat, ale śladowe ilości wody przyśpieszają ten rozkład gwałtownie, nawet milion razy[1].
Udało się także otrzymać gazowy kwas węglowy, trwały do temperatury -30 stopni, który w takiej fazie chętnie tworzy trwalszy dimer[2]

Skoro kwas ten istnieje, to jak jest z jego obecnością w wodzie mineralnej?
Gdy tylko zaczynamy nasycać wodę dwutlenkiem węgla, zaczyna on być hydratowany. W takiej formie każda cząsteczka tlenku zostaje otoczona cząsteczkami wody, lecz nie następuje pomiędzy nimi reakcja. Ilość rozpuszczającego się w ten sposób gazu zależy od ciśnienia - im wyższe, tym lepsza rozpuszczalność. W takiej formie występuje około 99% rozpuszczonego w wodzie związku.

Część jednak reaguje z wodą dając jako produkt przejściowy kwas węglowy:

CO₂ + H₂O → H₂CO₃

Jak wykazały badania, związek ten bardzo szybko i łatwo odszczepia jeden proton, przechodząc w jon wodorowęglanowy. Stała równowagi pokazuje, że kwas ten jest nawet mocniejszy od cytrynowego. Silne przesunięcie równowagi w stronę wodorowęglanów powoduje jednak, że niemal natychmiast prawie cały powstający kwas węglowy zamienia się w tą formę:

H₂CO₃ HCO₃⁻ + H⁺

Jon wodorowęglanowy może ulegać dalszej dysocjacji, rozpadając się na jon węglanowy:

 HCO₃⁻ CO₃²⁻ + H⁺

Jednak reakcja ta następuje powoli, i zaczyna nabierać znaczenia w warunkach silnie zasadowych.

Wszystkie te procesy są procesami równowagowymi, toteż zachodzą równocześnie w obie strony, choć z różną szybkością, a obserwowany stan jest wypadkową różnie szybkich równoczesnych reakcji. Można to porównać do szeregu naczyń do których woda może wpływać i wypływać, aż zależnie od szybkości wypływu i dopływu stabilizuje się na pewnym poziomie.
Gdy zaczniemy wprowadzać dwutlenek węgla do wody, będzie to czynił niechętnie, jednak gdy się rozpuści większość będzie występować w formie zhydratowanej. Z tej ilości pewna część będzie zamieniać się w kwas węglowy. Ten ma dwie możliwe drogi rozpadu - albo zamieni się z powrotem w dwutlenek węgla, co czyni chętnie, albo w wodorowęglan, co czyni równie szybko. To że w ogóle występuje w roztworze jest wynikiem tego, że wszystkie procesy są pewnymi równowagami odwracalnych reakcji - większe ciśnienie gazu naprodukuje więcej kwasu węglowego który natychmiast rozpada się w wodorowęglan; obniżenie ciśnienia powoduje rozpad obecnego kwasu węglowego ale jest on odtwarzany z wodorowęglanów.
Pod ciśnieniem atmosferycznym w wodzie pozostającej w kontakcie z dwutlenkiem węgla, może się rozpuścić ok. 0,1 mmol, z czego 1% przechodzi w wodorowęglan a 0,01% w kwas węglowy. Jonów węglanowych powstają niewykrywalne ilości. Roztwór taki ma pH=5,6 zatem jest lekko kwaskowaty. Pod ciśnieniem ok. 1-2 atmosfer, jakie to ciśnienia są stosowane w butelkowanej wodzie mineralnej, rozpuszcza się 8,5 mmol gazu, z czego 1% ma postać wodorowęglanu i niemal tyle samo formę kwasu węglowego. Roztwór taki ma pH =3,5 a więc podobne do soku pomarańczowego.

Co więc z tego wynika ostatecznie? Większość rozpuszczonego dwutlenku węgla występuje w wodzie w formie zhydratowanej obojętnej cząsteczki, a z pozostałej części większość w formie wodorowęglanów. A kwas? Występuje ale jako dynamiczna faza przejściowa - nieustannie tworzy się i rozpada istniejąc w ilościach tak niewielkich, że nieistotnych dla określenia kwasowości i trudnych do wykrycia. Ale jest.
------
* http://en.wikipedia.org/wiki/Carbonic_acid
* http://de.wikipedia.org/wiki/Kohlens%C3%A4ure
* http://en.wikipedia.org/wiki/Carbonated_water
* http://en.wikipedia.org/wiki/Joseph_Priestley

[1] Thomas Loerting, Christofer Tautermann, Romano T. Kroemer, Ingrid Kohl , Andreas Hallbrucker , Erwin Mayer. and Klaus R. Liedl,  On the Surprising Kinetic Stability of Carbonic Acid (H₂CO₃), Angewandte Chemie International Edition Volume 39, Issue 5, pages 891–894, March 3, 2000

[2] Hinrich Grothe et al.,  Spectroscopic Observation of Matrix-Isolated Carbonic Acid Trapped from the Gas Phase, Angewandte Chemie International Edition Volume 50, Issue 8, pages 1939–1943, February 18, 2011