Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Не путать с карболовой кислотой .

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
  • 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
Основание конъюгатаБикарбонат , 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. [2]

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 . [3]

Химическое равновесие [ править ]

Значения константы равновесия [ править ]

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. [4]
Ожидаемое изменение относится к прогнозируемому эффекту продолжающегося закисления океана. Подкисление природных вод вызвано увеличением концентрации углекислого газа в атмосфере, что, как полагают, вызвано сжиганием все большего количества угля и углеводородов . [5] [6]
Было подсчитано, что увеличение растворенного углекислого газа привело к снижению среднего pH поверхности океана примерно на 0,1 по сравнению с доиндустриальными уровнями. Это явление называется закислением океана . [7]





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 , I . При 25 ° C:

log β 1 = 0,54 I 2 -0,96 I + 9,93 (выбранные данные из базы данных SC)

Значение log β 2 также уменьшается с увеличением ионной силы.

 :

При 25 ° C log β 2 = -2,5 I 2 -0,043 I + 16,07

При I = 0 и 25 ° C значения pK констант ступенчатой ​​диссоциации составляют 6,77 и 9,93. Когда pH = pK, два химических вещества 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. [8] Они также дают значение pK a, равное 3,49, и утверждают, 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 [ править ]

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 [9] и ≈ 1,2 · 10 - 3 в морской воде . [10] 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 [ править ]

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 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 [ править ]

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 углекислота будет диссоциирована 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 производится

HCO 3 - + H + ⇌ CO 2 + H 2 O

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

Чистая угольная кислота [ править ]

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. [12]

Угольная кислота образуется как побочный продукт облучения CO 2 / H 2 O, помимо окиси углерода и радикалов (HCO и CO 3 ). [2] 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. [13] 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", как определено с помощью инфракрасной спектроскопии . Спектр β-H 2 CO 3 очень хорошо согласуется с побочным продуктом после облучения CO 2 / H 2 O. [2] β-H 2 CO 3 сублимируется при 230 - 260 K в основном без разложения. Матрица-изоляция Infared спектроскопия позволяет для записи одиночных молекул Н 2 СО 3 . [14]

Тот факт , что угольная кислота может образовывать при облучении твердого Н 2 О + СО 2 смеси или даже протон-имплантации сухого льда только [15] привело к предложениям , что Н 2 СО 3 может быть найден в космическом пространстве или на Марс , где обнаружены замороженные льды H 2 O и CO 2 , а также космические лучи . [16] [17] Удивительная стабильность сублимированного H 2 CO 3 до довольно высоких температур 260 K позволяет даже газообразной фазе H 2 CO 3 , например, над полюсными шапками Марса.[14] Расчеты Ab initio показали, что одна 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 180 000 лет при 300 К. [16] 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, образуя димеры , которые затем распадаются на две молекулы, каждая из воды и диоксида углерода. [18]

Утверждается, что твердая «α-угольная кислота» образуется в результате криогенной реакции бикарбоната калия и раствора HCl в метаноле . [19] [20] Это утверждение было оспорено в докторской диссертации, представленной в январе 2014 года. [21] Вместо этого 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. [22] Последующая матричная изоляцияинфракрасные спектры подтвердили, что CAME, а не угольная кислота, находится в газовой фазе над «α-угольной кислотой». [23] Отнесение к CAME дополнительно подтверждается выделением из матрицы вещества, полученного в газовой фазе путем пиролиза. [17]

Несмотря на сложную историю, углекислота все еще может появляться в виде отдельных полиморфов . Угольная кислота образуется при окислении СО радикалами ОН. [24] 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.

Ссылки [ править ]

  1. ^ "Front Matter". Номенклатура органической химии: Рекомендации ИЮПАК и предпочтительные названия 2013 (Синяя книга) . Кембридж: Королевское химическое общество . 2014. С. P001 – P004. DOI : 10.1039 / 9781849733069-FP001 . ISBN 978-0-85404-182-4.
  2. ^ a b c М. Х. Мур; РК Ханна (1990). «Инфракрасные и масс-спектральные исследования льда H 2 O + CO 2, облученного протонами : доказательства наличия угольной кислоты» . Spectrochimica Acta Часть A . 47 (2): 255–262. Bibcode : 1991AcSpA..47..255M . DOI : 10.1016 / 0584-8539 (91) 80097-3 .
  3. ^ Кислотно-основная физиология 2.1 - Кислотно-щелочной баланс Керри Брэндис.
  4. ^ Андерсен, CB (2002). «Понимание карбонатного равновесия путем измерения щелочности в экспериментальных и природных системах». Журнал геолого-геофизического образования . 50 (4): 389–403. Bibcode : 2002JGeEd..50..389A . DOI : 10.5408 / 1089-9995-50.4.389 .
  5. ^ Caldeira, K .; Уикетт, Мэн (2003). «Антропогенный углерод и pH океана» . Природа . 425 (6956): 365. Bibcode : 2001AGUFMOS11C0385C . DOI : 10.1038 / 425365a . PMID 14508477 . S2CID 4417880 .  
  6. ^ Сабина, CL; и другие. (2004). «Океанический сток антропогенного CO 2 » . Наука . 305 (5682): 367–371. Bibcode : 2004Sci ... 305..367S . DOI : 10.1126 / science.1097403 . hdl : 10261/52596 . PMID 15256665 . S2CID 5607281 . Архивировано из "оригинала 6 июля 2008 года.  
  7. ^ Национальный исследовательский совет. "Резюме". Подкисление океана: национальная стратегия решения проблем меняющегося океана. Вашингтон, округ Колумбия: The National Academies Press, 2010. 1. Печать.
  8. ^ Сосны, Дина; Диткович Юлия; Мукра, Цах; Миллер, Йифат; Кифер, Филип М .; Дащакраборти, Снехасис; Хайнс, Джеймс Т .; Сосны, Эхуд (2016). "Насколько кислая угольная кислота?" . J Phys Chem Б . 120 (9): 2440–2451. DOI : 10.1021 / acs.jpcb.5b12428 . PMC 5747581 . PMID 26862781 .  
  9. ^ Housecroft и Шарп, неорганическая химия , 2е изд, Prentice-Hall Pearson-2005, стр. 368.
  10. ^ Соли, AL; Р. Х. Бирн (2002). « Кинетика гидратации и дегидратации системы CO 2 и равновесное соотношение CO 2 / H 2 CO 3 в водном растворе NaCl». Морская химия . 78 (2–3): 65–73. DOI : 10.1016 / S0304-4203 (02) 00010-5 .
  11. ^ Lindskog S (1997). «Строение и механизм карбоангидразы». Фармакология и терапия . 74 (1): 1–20. DOI : 10.1016 / S0163-7258 (96) 00198-2 . PMID 9336012 . 
  12. ^ Loerting, Томас; Таутерманн, Кристофер; Kroemer, Romano T .; Коль, Ингрид; Хальбрукер, Андреас; Майер, Эрвин; Liedl, Klaus R .; Лоэртинг, Томас; Таутерманн, Кристофер; Коль, Ингрид; Хальбрукер, Андреас; Эрвин, Майер; Лидл, Клаус Р. (2000). «Об удивительной кинетической стабильности угольной кислоты (H2CO3)». Энгью. Chem. Междунар. Эдн . 39 (5): 891–894. DOI : 10.1002 / 1521-3773 .
  13. ↑ 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 . DOI : 10.1039 / ft9959102823 .
  14. ^ a b Бернард, Юрген; Huber, Roland G .; Liedl, Klaus R .; Грот, Хинрих; Лёртинг, Томас (14 мая 2013 г.). «Матричные исследования изоляции угольной кислоты - паровая фаза над β-полиморфом» . Журнал Американского химического общества . 135 (20): 7732–7737. DOI : 10.1021 / ja4020925 . PMC 3663070 . PMID 23631554 .  
  15. ^ Brucato, J; Palumbo, M; Strazzulla, G (январь 1997 г.). «Углекислота путем ионной имплантации в смеси вода / углекислый газ со льдом». Икар . 125 (1): 135–144. DOI : 10.1006 / icar.1996.5561 .
  16. ^ a b 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. DOI : 10.1002 / (SICI) 1521-3773 (20000303) 39: 5 <891 :: AID-ANIE891> 3.0.CO; 2-E .
  17. ^ a b Райзенауэр, HP; Вагнер, JP; Шрайнер, PR (2014). «Газофазное получение угольной кислоты и ее монометилового эфира». Энгью. Chem. Int. Эд. 53 (44): 11766–11771. DOI : 10.1002 / anie.201406969 . PMID 25196920 .  
  18. ^ Де Marothy, SA (2013). «Автокаталитическое разложение угольной кислоты». Int. J. Quantum Chem . 113 (20): 2306–2311. DOI : 10.1002 / qua.24452 .
  19. ^ Hage, W .; Hallbrucker, A .; Майер, Э. (1993). «Углекислота: синтез протонированием бикарбоната и FTIR-спектроскопические характеристики с помощью новой криогенной техники». Варенье. Chem. Soc. 115 (18): 8427–8431. Bibcode : 1993JAChS.115.8427H . DOI : 10.1021 / ja00071a061 .
  20. ^ «Пресс-релиз: International First: газовая фаза, выделенная углекислым газом» . Technische Universität Wien. 11 января 2011 года Архивировано из оригинала 9 августа 2017 года . Дата обращения 9 августа 2017 .
  21. ↑ Бернард, Юрген (январь 2014 г.). Твердая и газообразная углекислота (PDF) (кандидатская диссертация). Университет Инсбрука.
  22. ^ 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. DOI : 10.1002 / anie.201004729 . PMID 21328675 . 
  23. ^ Köck, Eva-Maria; Бернар, Юрген; Подевиц, Марен; Дину, Деннис Ф .; Huber, Roland G .; Liedl, Klaus R .; Грот, Хинрих; Бертель, Эрминальд; Шлёгль, Роберт; Лоэртинг, Томас (26 ноября 2019 г.). «Пересмотр альфа-угольной кислоты: монометиловый эфир угольной кислоты как твердое вещество и его конформационная изомерия в газовой фазе» . Химия - европейский журнал . 26 (1): 285–305. DOI : 10.1002 / chem.201904142 . PMC 6972543 . PMID 31593601 .  
  24. ↑ Оба, Ясухиро; Ватанабэ, Наоки; Коучи, Акира; Хама, Тэцуя; Пирронелло, Валерио (20 октября 2010 г.). «Образование угольной кислоты (H 2 CO 3 ) поверхностными реакциями неэнергетических радикалов OH с молекулами CO при низких температурах» . Астрофизический журнал . 722 (2): 1598–1606. Bibcode : 2010ApJ ... 722.1598O . DOI : 10,1088 / 0004-637X / 722/2/1598 .

Дальнейшее чтение [ править ]

  •  « 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 .

Внешние ссылки [ править ]

  • Равновесие угольной кислоты / бикарбоната / карбоната в воде: pH растворов, буферная емкость, титрование и распределение веществ в зависимости от pH, вычисленное с помощью бесплатной электронной таблицы
  • Как рассчитать концентрацию угольной кислоты в воде