Угольная кислота - Carbonic acid
|
|||
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 | ||
Номер ЕС | |||
25554 | |||
КЕГГ | |||
PubChem CID
|
|||
Панель управления CompTox ( EPA )
|
|||
|
|||
|
|||
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). |
|||
проверить ( что есть ?) | |||
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
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
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
- « Климат и углекислота » в ежемесячном выпуске журнала Popular Science 59, июль 1901 г.
- Уэлч, MJ; Лифтон, Дж. Ф.; Сек, JA (1969). «Трассерные исследования с радиоактивным кислородом-15. Обмен углекислого газа с водой». J. Phys. Chem. 73 (335): 3351. DOI : 10.1021 / j100844a033 .
- Веселый, WL (1991). Современная неорганическая химия (2-е изд.) . Нью-Йорк: Макгроу-Хилл. ISBN 978-0-07-112651-9.
- Мур, штат Массачусетс; Ханна, Р. (1991). «Инфракрасные и масс-спектральные исследования льда H2O + Co2, облученного протонами: свидетельство наличия углекислого льда: свидетельство наличия углекислого газа» . Spectrochimica Acta . 47А (2): 255–262. Bibcode : 1991AcSpA..47..255M . DOI : 10.1016 / 0584-8539 (91) 80097-3 .
- W. Hage, KR Liedl; Liedl, E .; Холлбрукер, А; Майер, Э (1998). «Углекислота в газовой фазе и ее астрофизическая значимость». Наука . 279 (5355): 1332–1335. Bibcode : 1998Sci ... 279.1332H . DOI : 10.1126 / science.279.5355.1332 . PMID 9478889 .
- Hage, W .; Hallbrucker, A .; Майер, Э. (1995). «Полиморф угольной кислоты и его возможное астрофизическое значение». J. Chem. Soc. Faraday Trans. 91 (17): 2823–2826. Bibcode : 1995JCSFT..91.2823H . DOI : 10.1039 / ft9959102823 .