Угольная кислота - Carbonic acid

Не путать с Карболовая кислота.
Угольная кислота
Структурная формула
Имена
Предпочтительное название IUPAC
Угольная кислота[1]
Идентификаторы
3D модель (JSmol )
ЧЭБИ
ЧЭМБЛ
ChemSpider
ECHA InfoCard100.133.015 Отредактируйте это в Викиданных
Номер ЕС
  • 610-295-3
КЕГГ
Характеристики
Внешностьбесцветный
Кислотность (пKа)пKа1≈3.6, пKа2≈6.3
Основание конъюгатаБикарбонат, Карбонат
Если не указано иное, данные для материалов приводятся в их стандартное состояние (при 25 ° C [77 ° F], 100 кПа).
проверитьY проверять (что проверитьY☒N ?)
Ссылки на инфобоксы

В химии Угольная кислота это двухосновная кислота с химическая формула ЧАС2CO3. Чистое соединение разлагается при температурах выше прибл. -80 ° С.[2] Углекислота - важный компонент в закисление океана.

В биохимии термин «угольная кислота» часто применяется к водные растворы из углекислый газ, которые играют важную роль в бикарбонатная буферная система, используется для поддержания кислотно-щелочной гомеостаз.[3]

Химическое равновесие

В небиологических растворах

Когда диоксид углерода растворяется в воде, он присутствует в химическое равновесие с угольной кислотой:[4]

В гидратация константа равновесия при 25 ° C называется Kчас, которая в случае угольной кислоты представляет собой [H2CO3] / [CO2] ≈ 1.7×10−3 в чистой воде[5] и ≈ 1,2 × 10−3 в морская вода.[6] Следовательно, большая часть диоксида углерода не превращается в угольную кислоту, оставаясь в виде CO.2 молекулы. В отсутствие катализатор, равновесие достигается довольно медленно. В константы скорости 0,039 с−1 для прямой реакции и 23 с−1 для обратной реакции.

Видообразование монопротовой кислоты AH в зависимости от pH.

В водном растворе угольная кислота ведет себя как двухосновная кислота. pKа1, то одеколон первой константы диссоциации имеет значение ок. 3,6 при 25 С. Как и все константы диссоциации, точное значение изменяется в зависимости от ионная сила решения.

 :   
График Бьеррума для карбонатного видообразования в морской воде.

Недиссоциированная угольная кислота будет присутствовать (в значительной концентрации) только в слабокислых растворах. В геологии известняк может реагировать с дождевая вода, который имеет слабую кислотность, с образованием раствора бикарбонат кальция; испарение таких растворов может привести к образованию сталактиты и сталагмиты.

Кологарифм второй (ступенчатой) константы диссоциации, pKа2, имеет значение ок. 6,35 при 25 С. Отсюда следует, что концентрация бикарбонат иона будет более 1% в растворах в диапазоне pH ок. 4-8. В этом диапазоне pH ион бикарбоната диссоциирует на карбонат ион CO32− и гидроний ион.

:   

В Бьеррум сюжет справа показаны расчетные равновесные концентрации различных видов в морская вода как функция pH.[7] Из-за многих порядки величины шкала вертикальной оси логарифмический. Подкисление природных вод вызвано увеличением концентрации углекислого газа в атмосфере, что, как считается, вызвано сжиганием все большего количества каменный уголь и углеводороды.[8][9] Было подсчитано, что дополнительное растворение диоксида углерода привело к смещению среднего значения pH поверхности океана примерно на -0,1 единицы по сравнению с доиндустриальным уровнем. Это известно как закисление океана, хотя океан остается базовый.[10]

В биологических растворах

Когда фермент карбоангидраза также присутствует в растворе, следующая реакция имеет приоритет.[11]

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

также следует принимать во внимание. Константа равновесия для этой реакции определяется как Закон Генри. Две реакции можно объединить для достижения равновесия в растворе.

 :   

Когда закон Генри используется для вычисления значения члена в знаменателе нужна забота что касается размерности.

В физиология, углекислый газ, выделяемый легкими, можно назвать летучая кислота или же дыхательная кислота.

Использование термина угольная кислота

Строго говоря, термин «угольная кислота» относится к химическое соединение с формулой . Однако при биологическом pH концентрация этого соединения составляет менее 0,01% от общей концентрации кислоты. Это следует из того, что его pKа значение составляет ок. 3,6, тогда как pH внеклеточной жидкости составляет ок. 7.2. А расчет распространения видов показывает, что доля уже составляет менее 1% при pH> 5,6. Следовательно, фактически нет присутствует в биологических растворах; есть ок. 99% бикарбоната и около 1% карбоната, как показано на диаграмме выше.

Тем не менее, растворенный диоксид углерода обычно описывается в литературе по биохимии как угольная кислота по историческим причинам. Технически углекислый газ - это ангидрид угольной кислоты (ср. триоксид серы, ангидрид серная кислота ).

Чистая угольная кислота

Угольная кислота образуется как побочный продукт CO2/ЧАС2Облучение O, помимо монооксида углерода и радикалов (HCO и CO3).[2] Еще один путь образования угольной кислоты - протонирование бикарбонатов (HCO3−) с водным HCl или HBr. Это должно быть сделано в криогенный условия, позволяющие избежать немедленного разложения H2CO3 в CO2 и H2О.[12] Аморфный H2CO3 образуется выше 120 К, а кристаллизация происходит выше 200 К с образованием β-H2CO3", как определено ИК-спектроскопия. Спектр β-H2CO3 очень хорошо согласуется с побочным продуктом после CO2/ЧАС2O облучение.[2] β-H2CO3 возгоняется при 230 - 260 К, в основном без разложения. Матрица-изоляция Инфракрасная спектроскопия позволяет регистрировать одиночные молекулы H2CO3.[13]

Тот факт, что угольная кислота может образовываться при облучении твердого H2O + CO2 смесью или даже протонной имплантацией сухой лед один[14] дал повод предположить, что H2CO3 можно найти в космосе или на Марс, где замороженные льды H2O и CO2 найдены, а также космические лучи.[15][16] Удивительная стабильность сублимированного H2CO3 до довольно высоких температур 260 К позволяет даже газовую фазу H2CO3, например, над полюсными шапками Марса.[13] Ab initio расчеты показали, что одиночная молекула воды катализирует разложение газовой молекулы угольной кислоты до диоксида углерода и воды. Прогнозируется, что в отсутствие воды диссоциация газообразной угольной кислоты будет очень медленной, с период полураспада в газовой фазе 180000 лет при 300 К.[15] Это применимо только в том случае, если молекулы немногочисленны и находятся далеко друг от друга, потому что также было предсказано, что газовая угольная кислота будет катализировать собственное разложение, образу димеры, которые затем распадаются на две молекулы воды и двуокиси углерода.[17]

Утверждалось, что твердая «α-угольная кислота» образована криогенный реакция бикарбонат калия и решение HCl в метанол.[18][19] Это утверждение было оспорено в докторской диссертации, представленной в январе 2014 года.[20] Напротив, эксперименты по мечению изотопов указывают на участие монометиловый эфир угольной кислоты (ПРИШЕЛ). Кроме того, сублимированное твердое вещество должно было содержать мономеры и димеры CAME, а не H2CO3 мономеры и димеры, как заявлено ранее.[21] Последующий матричная изоляция инфракрасные спектры подтвердили, что CAME, а не угольная кислота обнаруживается в газовой фазе над «α-угольной кислотой».[22] Отнесение к CAME дополнительно подтверждается выделением из матрицы вещества, полученного в газовой фазе путем пиролиза.[16]

Несмотря на сложную историю, углекислота все еще может выступать полиморфы. Угольная кислота образуется при окислении СО радикалами ОН.[23] Неясно, следует ли рассматривать полученную таким образом угольную кислоту как γ-H2CO3. Структуры β-H2CO3 и γ-H2CO3 кристаллографически не охарактеризованы.

Рекомендации

  1. ^ «Переднее дело». Номенклатура органической химии: Рекомендации ИЮПАК и предпочтительные названия 2013 (Синяя книга). Кембридж: Королевское химическое общество. 2014. С. P001 – P004. Дои:10.1039 / 9781849733069-FP001. ISBN  978-0-85404-182-4.
  2. ^ а б c М. Х. Мур; Р. К. Ханна (1990). «Инфракрасные и масс-спектральные исследования протонно-облученного H2O + CO2 лед: свидетельства наличия углекислоты ". Spectrochimica Acta, часть A. 47 (2): 255–262. Bibcode:1991AcSpA..47..255M. Дои:10.1016/0584-8539(91)80097-3.
  3. ^ Кислотно-основная физиология 2.1 - Кислотно-щелочной баланс пользователя Керри Брэндис.
  4. ^ Гринвуд, Норман Н.; Эрншоу, Алан (1997). Химия элементов (2-е изд.). Баттерворт-Хайнеманн. п. 310. ISBN  978-0-08-037941-8.
  5. ^ Хаускрофт и Шарп, Неорганическая химия, 2-е изд., Prentice-Pearson-Hall 2005, p. 368.
  6. ^ Soli, A. L .; Р. Х. Бирн (2002). "CO2 кинетика гидратации и дегидратации системы и равновесный CO2/ЧАС2CO3 соотношение в водном растворе NaCl ». Морская химия. 78 (2–3): 65–73. Дои:10.1016 / S0304-4203 (02) 00010-5.
  7. ^ Андерсен, К. Б. (2002). «Понимание карбонатного равновесия путем измерения щелочности в экспериментальных и природных системах». Журнал геолого-геофизического образования. 50 (4): 389–403. Bibcode:2002JGeEd..50..389A. Дои:10.5408/1089-9995-50.4.389.
  8. ^ Caldeira, K .; Уикетт, М. Э. (2003). «Антропогенный углерод и pH океана». Природа. 425 (6956): 365. Bibcode:2001AGUFMOS11C0385C. Дои:10.1038 / 425365a. PMID  14508477. S2CID  4417880.
  9. ^ Sabine, C.L .; и другие. (2004). "Океанический сток для антропогенного CO2". Наука. 305 (5682): 367–371. Bibcode:2004Наука ... 305..367С. Дои:10.1126 / science.1097403. HDL:10261/52596. PMID  15256665. S2CID  5607281. Архивировано из " оригинал 6 июля 2008 г.
  10. ^ Национальный исследовательский совет. "Резюме". Подкисление океана: национальная стратегия решения проблем меняющегося океана. Вашингтон, округ Колумбия: The National Academies Press, 2010. 1. Печать.
  11. ^ Линдског С (1997). «Строение и механизм карбоангидразы». Фармакология и терапия. 74 (1): 1–20. Дои:10.1016 / S0163-7258 (96) 00198-2. PMID  9336012.
  12. ^ Хаге, Вольфганг; Хальбрукер, Андреас; Майер, Эрвин (1995). «Полиморф угольной кислоты и его возможное астрофизическое значение». Журнал химического общества, транзакции Фарадея. 91 (17): 2823. Bibcode:1995JCSFT..91.2823H. Дои:10.1039 / фут 9959102823.
  13. ^ а б Бернард, Юрген; Huber, Roland G .; Liedl, Klaus R .; Грот, Хинрих; Лортинг, Томас (14 мая 2013 г.). «Матричные исследования изоляции угольной кислоты - паровая фаза над β-полиморфом». Журнал Американского химического общества. 135 (20): 7732–7737. Дои:10.1021 / ja4020925. ЧВК  3663070. PMID  23631554.
  14. ^ Brucato, J; Palumbo, M; Strazzulla, G (январь 1997 г.). «Углекислота путем ионной имплантации в смеси воды / диоксида углерода и льда». Икар. 125 (1): 135–144. Дои:10.1006 / icar.1996.5561.
  15. ^ а б Лоэртинг, Томас; Таутерманн, Кристофер; Kroemer, Romano T .; Коль, Ингрид; Хальбрукер, Андреас; Майер, Эрвин; Лидл, Клаус Р. (3 марта 2000 г.). «Об удивительной кинетической стабильности угольной кислоты (H2CO3)». Angewandte Chemie International Edition. 39 (5): 891–894. Дои:10.1002 / (SICI) 1521-3773 (20000303) 39: 5 <891 :: AID-ANIE891> 3.0.CO; 2-E.
  16. ^ а б Reisenauer, H.P .; Wagner, J. P .; Шрайнер П. Р. (2014). «Газофазное получение угольной кислоты и ее монометилового эфира». Энгью. Chem. Int. Эд. 53 (44): 11766–11771. Дои:10.1002 / anie.201406969. PMID  25196920.
  17. ^ де Мароти, С. А. (2013). «Автокаталитическое разложение угольной кислоты». Int. J. Quantum Chem.. 113 (20): 2306–2311. Дои:10.1002 / qua.24452.
  18. ^ Hage, W .; Hallbrucker, A .; Майер, Э. (1993). «Углекислота: синтез протонированием бикарбоната и ИК-Фурье спектроскопии с использованием новой криогенной техники». Варенье. Chem. Soc. 115 (18): 8427–8431. Bibcode:1993ЯЧС.115.8427Н. Дои:10.1021 / ja00071a061.
  19. ^ "Пресс-релиз: International First: Изолированная углекислота в газовой фазе". Technische Universität Wien. 11 января 2011. Архивировано с оригинал 9 августа 2017 г.. Получено 9 августа 2017.
  20. ^ Бернард, Юрген (январь 2014 г.). Твердая и газообразная углекислота (PDF) (Кандидатская диссертация). Университет Инсбрука.
  21. ^ Бернард, Юрген; Зайдл, Маркус; Коль, Ингрид; Liedl, Klaus R .; Майер, Эрвин; Гальвес, Оскар; Грот, Хинрих; Лёртинг, Томас (18 февраля 2011 г.). "Спектроскопическое наблюдение матрично-изолированной угольной кислоты, захваченной из газовой фазы". Angewandte Chemie International Edition. 50 (8): 1939–1943. Дои:10.1002 / anie.201004729. PMID  21328675.
  22. ^ Кёк, Ева-Мария; Бернард, Юрген; Подевиц, Марен; Дину, Деннис Ф .; Huber, Roland G .; Liedl, Klaus R .; Грот, Хинрих; Бертель, Эрминальд; Шлёгль, Роберт; Лортинг, Томас (26 ноября 2019 г.). «Возвращение к альфа-угольной кислоте: монометиловый эфир угольной кислоты как твердое вещество и его конформационная изомерия в газовой фазе». Химия - Европейский журнал. 26 (1): 285–305. Дои:10.1002 / chem.201904142. ЧВК  6972543. PMID  31593601.
  23. ^ Оба, Ясухиро; Ватанабэ, Наоки; Коучи, Акира; Хама, Тэцуя; Пирронелло, Валерио (20 октября 2010 г.). «Образование угольной кислоты (H2CO3) Путем поверхностных реакций неэнергетических радикалов OH с молекулами CO при низких температурах ». Астрофизический журнал. 722 (2): 1598–1606. Bibcode:2010ApJ ... 722.1598O. Дои:10.1088 / 0004-637X / 722/2/1598.

дальнейшее чтение

внешняя ссылка