Hydrogenuhličitan

Rozbalit box

Obsah boxu

Hydrogenuhličitan (systematicky hydrogencarbonát, triviálně bikarbonát) je anion se sumárním vzorcem HCO₃⁻. Jedná se o deprotonovanou formu kyseliny uhličité (H₂CO₃) a zároveň konjugovanou bázi této kyseliny. Hydrogenuhličitany jsou také soli, které tento anion obsahují.

Tento ion hraje klíčovou roli v mnoha chemických a biologických procesech. V lidském těle je nejdůležitější součástí pufrovacího systému krve, který udržuje stabilní pH. V geologii a environmentalistice je zásadní pro koloběh uhlíku, formování krasových jevů a určuje přechodnou tvrdost vody. Mezi nejznámější hydrogenuhličitany patří hydrogenuhličitan sodný (jedlá soda) a hydrogenuhličitan vápenatý.

📜 Historie a nomenklatura

Pojem "bikarbonát" zavedl anglický chemik William Hyde Wollaston v roce 1808. Název vycházel z pozorování, že v těchto solích je dvakrát více "oxidu uhličitého" (tehdejší termín pro uhličitanový zbytek) na jednu jednotku zásady ve srovnání s běžnými uhličitany. Přestože je tento název stále široce používán, zejména v medicíně a biologii, moderní chemická nomenklatura IUPAC upřednostňuje termín hydrogenuhličitan. Tento název přesněji popisuje strukturu iontu – jeden atom vodíku vázaný na uhličitanový anion.

⚙️ Chemické vlastnosti

Hydrogenuhličitanový anion je polyatomový anion s molární hmotností 61,017 g/mol. Atom uhlíku je v centru a je vázán na tři atomy kyslíku v uspořádání přibližně trigonálně planárním. Jeden z atomů kyslíku je vázán na atom vodíku.

💧 Acidobazické vlastnosti

Hydrogenuhličitan je amfoterní, což znamená, že může reagovat jako kyselina i jako zásada.

• Jako slabá zásada: Může přijmout proton (H⁺) a vytvořit tak kyselinu uhličitou (H₂CO₃).

  HCO₃⁻ + H⁺ ⇌ H₂CO₃

• Jako velmi slabá kyselina: Může odštěpit proton a vytvořit uhličitanový anion (CO₃²⁻).

  HCO₃⁻ ⇌ CO₃²⁻ + H⁺

Tyto rovnováhy jsou základem jeho funkce jako pufru. Ve vodném roztoku je hydrogenuhličitan v rovnováze s kyselinou uhličitou, oxidem uhličitým a uhličitanovým iontem.

CO₂ + H₂O ⇌ H₂CO₃ ⇌ H⁺ + HCO₃⁻ ⇌ 2H⁺ + CO₃²⁻

Hodnota pKa pro přeměnu H₂CO₃ na HCO₃⁻ je přibližně 6,3 (v biologických systémech), zatímco pKa pro přeměnu HCO₃⁻ na CO₃²⁻ je 10,3. To znamená, že v neutrálním nebo mírně zásaditém prostředí (jako je krev s pH ≈ 7,4) je hydrogenuhličitan dominantní formou.

🔥 Reakce a stabilita

Hydrogenuhličitany reagují s kyselinami za vzniku oxidu uhličitého a vody. Tato reakce je základem použití jedlé sody jako kypřidla nebo v hasicích přístrojích.

HCO₃⁻ + H⁺ → H₂CO₃ → H₂O + CO₂ (g)

Pevné hydrogenuhličitany se při zahřívání rozkládají. Například hydrogenuhličitan sodný se rozkládá nad 50 °C na uhličitan sodný, vodu a oxid uhličitý.

2 NaHCO₃(s) → Na₂CO₃(s) + H₂O(g) + CO₂(g)

Hydrogenuhličitany některých kovů, jako je vápník nebo hořčík, jsou stabilní pouze ve vodném roztoku. Při odpaření vody nebo zahřátí se rozkládají na příslušné nerozpustné uhličitany.

Ca(HCO₃)₂(aq) → CaCO₃(s) + H₂O(l) + CO₂(g)

🧬 Biologický význam

Hydrogenuhličitan je naprosto klíčový pro život živočichů, zejména obratlovců.

🩸 Krevní pufr

Nejdůležitější rolí hydrogenuhličitanu v těle je jeho funkce v hydrogenuhličitanovém pufrovacím systému, který udržuje pH krve ve velmi úzkém rozmezí 7,35–7,45. Metabolické procesy v těle neustále produkují kyseliny (např. kyselina mléčná při cvičení), které by jinak dramaticky snížily pH krve.

Systém funguje na základě rovnováhy mezi kyselinou uhličitou (H₂CO₃) a hydrogenuhličitanem (HCO₃⁻):

H₂O + CO₂ ⇌ H₂CO₃ ⇌ H⁺ + HCO₃⁻

• Pokud do krve přibude kyselina (zvýší se H⁺), reaguje s HCO₃⁻ za vzniku H₂CO₃. Kyselina uhličitá se pak v plicích pomocí enzymu karboanhydráza rychle rozloží na CO₂ a vodu. Přebytečný CO₂ je vydýchán.
• Pokud do krve přibude zásada (sníží se H⁺), H₂CO₃ se rozloží na H⁺ a HCO₃⁻, čímž se ztráta protonů kompenzuje.

Tento systém je extrémně efektivní, protože koncentrace obou složek (CO₂ a HCO₃⁻) jsou aktivně regulovány plicemi (dýchání) a ledvinami (vylučování nebo zadržování HCO₃⁻). Poruchy této rovnováhy vedou k život ohrožujícím stavům, jako je acidóza (příliš nízké pH) nebo alkalóza (příliš vysoké pH).

🍽️ Trávení

Slinivka břišní produkuje šťávu bohatou na hydrogenuhličitan sodný, která je vylučována do dvanáctníku (první část tenkého střeva). Zde neutralizuje kyselou tráveninu přicházející ze žaludku. Tím chrání střevní sliznici před poškozením kyselinou a vytváří optimální, mírně zásadité prostředí pro funkci trávicích enzymů, jako je trypsin a lipáza.

🌍 Geologický a environmentální význam

🌊 Koloběh uhlíku a oceány

Hydrogenuhličitan je dominantní formou rozpuštěného anorganického uhlíku (DIC) v mořské i sladké vodě. Hraje ústřední roli v globálním koloběhu uhlíku. Oxid uhličitý z atmosféry se rozpouští ve vodě a vytváří kyselinu uhličitou, která následně disociuje na hydrogenuhličitan a uhličitan. Tento proces pomáhá oceánům pohlcovat obrovské množství atmosférického CO₂. Zvyšující se koncentrace CO₂ v atmosféře však vedou k okyselování oceánů, což posouvá rovnováhu a ohrožuje organismy s vápenatými schránkami, jako jsou koráli a měkkýši.

⛰️ Krasové jevy a tvrdost vody

Hydrogenuhličitany jsou zodpovědné za vznik krasových jevů. Dešťová voda je mírně kyselá, protože absorbuje CO₂ z atmosféry a vytváří slabou kyselinu uhličitou. Když tato voda prosakuje horninami obsahujícími vápenec (uhličitan vápenatý, CaCO₃), rozpouští jej za vzniku rozpustného hydrogenuhličitanu vápenatého.

CaCO₃(s) + H₂O(l) + CO₂(aq) ⇌ Ca(HCO₃)₂(aq)

Tento proces vede k vytváření jeskyní a dalších podzemních útvarů. Když voda nasycená hydrogenuhličitanem vápenatým skapává ze stropu jeskyně, dochází k uvolnění CO₂ a zpětnému srážení nerozpustného uhličitanu vápenatého, což vede k růstu krápníků (stalaktity a stalagmity).

Přítomnost rozpuštěných hydrogenuhličitanů vápníku a hořčíku způsobuje tzv. přechodnou (uhličitanovou) tvrdost vody. Tuto tvrdost lze odstranit povařením vody, při kterém se rozpustné hydrogenuhličitany rozloží na nerozpustné uhličitany, které se usadí jako vodní kámen.

🏭 Výroba a využití

Nejvýznamnějším průmyslově vyráběným hydrogenuhličitanem je hydrogenuhličitan sodný (NaHCO₃), známý jako jedlá soda nebo soda bikarbona. Vyrábí se především Solvayovým procesem. Jeho využití je velmi široké:

• Potravinářství: Jako kypřidlo do těsta (při zahřátí nebo v reakci s kyselou složkou uvolňuje CO₂), jako regulátor kyselosti a součást šumivých nápojů v prášku.
• Lékařství: Jako antacidum k neutralizaci žaludeční kyseliny, při léčbě metabolické acidózy a jako součást infuzních roztoků.
• Hašení požárů: Práškové hasicí přístroje obsahují NaHCO₃. Při zahřátí uvolňuje CO₂, který dusí plameny.
• Čištění a hygiena: Jako jemný abrazivní prostředek, pohlcovač pachů (např. v lednici) a součást zubních past.
• Průmysl: V textilním a kožedělném průmyslu, při výrobě barviv a jako součást pufrovacích roztoků.
• Zemědělství: K úpravě pH půdy a jako fungicid.

Dalším významným hydrogenuhličitanem je hydrogenuhličitan amonný (NH₄HCO₃), který se také používá jako kypřidlo (cukrářské droždí) a zdroj amoniaku.

💡 Pro laiky

Představte si hydrogenuhličitan jako chemického "diplomata" nebo "vyjednavače". Jeho hlavním úkolem, například v naší krvi, je udržovat klid a rovnováhu.

• Proč jedlá soda šumí s octem? Ocet je kyselina. Když se setká s jedlou sodou (hydrogenuhličitanem), soda se "obětuje", aby kyselinu zneškodnila. Výsledkem této rychlé reakce je vznik bublinek oxidu uhličitého – to je to šumění, které vidíte. Stejný princip funguje i v těstě na buchtu, kde kyselou složkou může být třeba jogurt nebo podmáslí.
• Jak udržuje rovnováhu v krvi? Naše tělo při práci produkuje různé kyseliny. Kdybychom v krvi neměli hydrogenuhličitan, tyto kyseliny by rychle změnily její prostředí a naše buňky by přestaly fungovat. Hydrogenuhličitan funguje jako houba – nasaje přebytečnou kyselinu a bezpečně ji pomůže přeměnit na oxid uhličitý, který jednoduše vydýcháme.
• Proč se v rychlovarné konvici tvoří vodní kámen? Voda z kohoutku (zvláště "tvrdá" voda) obsahuje rozpuštěný hydrogenuhličitan vápenatý. Když vodu vaříte, tato látka se rozloží a přemění se zpět na nerozpustný uhličitan vápenatý – což je přesně ten bílý povlak, který známe jako vodní kámen.

Šablona:Aktualizováno