Угольная кислота - Carbonic acid

Структурная формула
Шариковая модель
Имена
Название ИЮПАК
Угольная кислота
Другие имена
Муравьиная кислота
Гидроксиметановая кислота
Дигидроксикарбонил
Идентификаторы
3D модель ( JSmol )
ЧЭБИ
ЧЭМБЛ
ChemSpider
DrugBank
ECHA InfoCard 100.133.015 Отредактируйте это в Викиданных
Номер ЕС
25554
КЕГГ
  • InChI = 1S / CH2O3 / c2-1 (3) 4 / ч (H2,2,3,4) проверитьY
    Ключ: BVKZGUZCCUSVTD-UHFFFAOYSA-N проверитьY
  • InChI = 1 / H2O3 / c2-1 (3) 4 / ч (H2,2,3,4)
    Ключ: BVKZGUZCCUSVTD-UHFFFAOYAU
  • О = С (О) О
Характеристики
H 2 CO 3
Температура плавления -80 ° С (-112 ° F, 193 К) (разлагается)
Основание конъюгата Бикарбонат , Карбонат
Если не указано иное, данные приведены для материалов в их стандартном состоянии (при 25 ° C [77 ° F], 100 кПа).
проверитьY проверить  ( что есть   ?) проверитьY☒N
Ссылки на инфобоксы

В химии угольная кислота - это двухосновная кислота с химической формулой H 2 CO 3.. Чистое соединение разлагается при температурах выше прибл. −80 ° С.

В биохимии, название «угольная кислота» часто применяются к водным растворам от диоксида углерода , которые играют важную роль в бикарбонате буферной системы , используемую для поддержания кислотно-щелочной гомеостаза .

Химическое равновесие

Значения констант равновесия

График Бьеррама для карбонатного состава морской воды (ионная сила 0,7 моль дм −3 )

В водном растворе угольная кислота ведет себя как двухосновная кислота. В Бьеррум участок показаны типичные равновесные концентрации, в растворе, в морской воде , двуокиси углерода и различных видов , полученных из нее, в зависимости от рН. Подкисление природных вод вызвано увеличением концентрации углекислого газа в атмосфере, что вызвано сжиганием все большего количества угля и углеводородов .

Ожидаемое изменение относится к прогнозируемому эффекту продолжающегося закисления океана . Было подсчитано, что увеличение растворенного углекислого газа привело к снижению среднего pH поверхности океана примерно на 0,1 по сравнению с доиндустриальными уровнями.

База данных констант стабильности содержит 136 записей со значениями общих констант протонирования β 1 и β 2 карбонат-иона. В следующих выражениях [H + ] представляет концентрацию в состоянии равновесия химического вещества H + и т. Д.

Значение лог р 1 уменьшается с увеличением ионной силы , . При 25 ° C:

 :
(выбранные данные из SC-базы данных)

Значение log β 2 также уменьшается с увеличением ионной силы.

 :

При = 0 и 25 ° C значения pK констант ступенчатой ​​диссоциации равны

pK 1 = logβ 2 - logβ 1 = 6,77.
рК 2 = log 1 = 9,93.

Когда pH = pK, два химических вещества, находящихся в равновесии друг с другом, имеют одинаковую концентрацию.

Примечание 1 : в литературе имеются явно противоречивые значения для pK a . Pines et al. укажите значение «pK app », равное 6,35, что соответствует значению 6,77, упомянутому выше. Они также дают значение «рК в » 3,49 и государства , что

pK a = pK app - log K D (уравнение 5)

где K D = [CO 2 ] / [H 2 CO 3 ]. (уравнение 3) Ситуация возникает из-за того, что константы диссоциации названы и определены, что четко указано в тексте статьи Пайнса, но не в аннотации.

Примечание 2 : нумерация констант диссоциации является обратной нумерации нумерации констант ассоциации , поэтому pK 2 (диссоциация) = log β 1 (ассоциация). Значение ступенчатой ​​постоянной для равновесия

дан кем-то

pK 1 (диссоциация) 1 = log β 2 - log β 1 (ассоциация)

В небиологических растворах

Константа равновесия гидратации при 25 ° C называется K h , которая в случае угольной кислоты составляет [H 2 CO 3 ] / [CO 2 ] ≈ 1,7 · 10 −3 в чистой воде и ≈ 1,2 · 10 −3 в морской воде. . Следовательно, большая часть диоксида углерода не превращается в угольную кислоту, оставаясь в виде молекул CO 2 . В отсутствие катализатора равновесие достигается довольно медленно. Константы скорости составляют 0,039 с -1 для прямой реакции и 23 с -1 для обратной реакции.

В природе известняк может реагировать с дождевой водой , образуя раствор бикарбоната кальция ; испарение такого раствора приведет к повторному образованию твердого карбоната кальция. Эти процессы происходят при образовании сталактитов и сталагмитов .

В биологических растворах

Когда фермент карбоангидраза также присутствует в растворе, следующая реакция имеет приоритет.

Когда количество углекислого газа, созданного прямой реакцией, превышает его растворимость, выделяется газ и третье равновесие

также должны быть приняты во внимание. Константа равновесия для этой реакции определяется законом Генри . Две реакции могут быть объединены для достижения равновесия в растворе.

 :   

Когда для вычисления значения члена в знаменателе используется закон Генри, необходимо соблюдать осторожность в отношении размерности.

В физиологии углекислый газ, выделяемый легкими, можно назвать летучей кислотой или респираторной кислотой .

Использование термина угольная кислота

Видообразование монопротовой кислоты AH в зависимости от pH.

Строго говоря, термин «угольная кислота» относится к химическому соединению формулы .

Поскольку pK a1 имеет значение ca. 6.8, при равновесии угольная кислота будет диссоциировать почти на 50% во внеклеточной жидкости ( цитозоле ), имеющей pH около 7,2. Обратите внимание, что растворенный диоксид углерода во внеклеточной жидкости часто называют «угольной кислотой» в литературе по биохимии по историческим причинам. Реакция, в которой он образуется

HCO 3 - + H + ⇌ CO 2 + H 2 O

быстро в биологических системах. Диоксид углерода можно описать как ангидрид угольной кислоты.

Чистая угольная кислота

Угольная кислота H 2 CO 3 устойчива при температуре окружающей среды в строго безводных условиях. Он разлагается с образованием углекислого газа в присутствии любых молекул воды.

Угольная кислота образуется как побочный продукт облучения CO 2 / H 2 O, помимо окиси углерода и радикалов (HCO и CO 3 ). Другой путь образования угольной кислоты - протонирование бикарбонатов (HCO 3 - ) водным HCl или HBr. Это необходимо делать в криогенных условиях, чтобы избежать немедленного разложения H 2 CO 3 до CO 2 и H 2 O. Аморфный H 2 CO 3 образуется при температуре выше 120 К, а кристаллизация происходит при температуре выше 200 К с образованием β-H 2 CO. 3 дюйма, как определено инфракрасной спектроскопией . Спектр β-H 2 CO 3 очень хорошо согласуется с побочным продуктом после облучения CO 2 / H 2 O. β-H 2 CO 3 сублимируется при 230–260 K в основном без разложения. Инфракрасная спектроскопия с изоляцией матриц позволяет регистрировать отдельные молекулы H 2 CO 3 .

Тот факт, что угольная кислота может образовываться при облучении твердой смеси H 2 O + CO 2 или даже путем протонной имплантации только сухого льда , породил предположения о том, что H 2 CO 3 может быть найден в космическом пространстве или на Марсе , где обнаружены замороженные льды H 2 O и CO 2 , а также космические лучи . Удивительная стабильность сублимированного H 2 CO 3 вплоть до довольно высоких температур 260 K позволяет даже H 2 CO 3 находиться в газовой фазе , например, над полюсными шапками Марса. Расчеты ab initio показали, что одиночная молекула воды катализирует разложение молекулы угольной кислоты в газовой фазе до диоксида углерода и воды. Прогнозируется, что в отсутствие воды диссоциация газообразной угольной кислоты будет очень медленной, с периодом полураспада в газовой фазе 180000 лет при 300 К. Это применимо только в том случае, если молекулы немногочисленны и находятся далеко друг от друга, потому что это Также было предсказано, что угольная кислота в газовой фазе будет катализировать собственное разложение, образуя димеры , которые затем распадаются на две молекулы, каждая из воды и диоксида углерода.

Утверждается, что твердая «α-угольная кислота» образуется в результате криогенной реакции бикарбоната калия и раствора HCl в метаноле . Это утверждение было оспорено в докторской диссертации, представленной в январе 2014 года. Напротив, эксперименты по маркировке изотопов указывают на участие монометилового эфира угольной кислоты (CAME). Кроме того, сублимированное твердое вещество было предложено содержать мономеры и димеры CAME, а не мономеры и димеры H 2 CO 3, как заявлялось ранее. Последующие инфракрасные спектры выделения матрицы подтвердили, что CAME, а не угольная кислота, обнаруживается в газовой фазе над «α-угольной кислотой». Отнесение к CAME дополнительно подтверждается выделением из матрицы вещества, полученного в газовой фазе путем пиролиза.

Несмотря на сложную историю, углекислота все еще может появляться в виде отдельных полиморфов . Угольная кислота образуется при окислении СО радикалами ОН. Неясно, следует ли рассматривать полученную таким образом угольную кислоту как γ-H 2 CO 3 . Структуры β-H 2 CO 3 и γ-H 2 CO 3 кристаллографически не охарактеризованы.

При высоком давлении

Хотя молекулы H 2 CO 3 не составляют значительной части растворенного углерода в водной «угольной кислоте» в условиях окружающей среды, значительные количества молекулярного H 2 CO 3 могут существовать в водных растворах, подверженных давлению в несколько гигапаскалей (десятки тысяч атмосфер), что может происходить в недрах планет.

Углекислота должна быть стабилизирована при давлениях 0,6–1,6  ГПа при 100  К и 0,75–1,75 ГПа при 300 К. Эти давления достигаются в ядрах крупных ледяных спутников, таких как Ганимед , Каллисто и Титан , где есть вода и углекислый газ. присутствуют. Чистая углекислота, будучи более плотной, затем погрузилась бы под слои льда и отделила бы их от скалистых ядер этих лун.

использованная литература

дальнейшее чтение

внешние ссылки