Kwas węglowy - Carbonic acid

Nie mylić z kwasem karbolowym .

Formuła strukturalna
Model kulowo-kijowy
Nazwy
Nazwa IUPAC
Kwas węglowy
Inne nazwy
Kwas
hydroksymrówkowy Kwas hydroksymetanowy
Dihydroksykarbonyl
Identyfikatory
Model 3D ( JSmol )
CZEBI
CHEMBL
ChemSpider
DrugBank
Karta informacyjna ECHA 100.133.015 Edytuj to na Wikidata
Numer WE
25554
KEGG
Identyfikator klienta PubChem
  • InChI=1S/CH2O3/c2-1(3)4/h(H2,2,3,4) sprawdzaćTak
    Klucz: BVKZGUZCCUSVTD-UHFFFAOYSA-N sprawdzaćTak
  • InChI=1/H2O3/c2-1(3)4/h(H2,2,3,4)
    Klucz: BVKZGUZCCUSVTD-UHFFFAOYAU
  • O=C(O)O
Nieruchomości
H 2 CO 3
Temperatura topnienia -80 ° C (-112 ° F; 193 K) (rozkłada się)
Podstawa sprzężona wodorowęglan , węglan
O ile nie zaznaczono inaczej, dane podano dla materiałów w ich stanie standardowym (przy 25 °C [77 °F], 100 kPa).
sprawdzaćTak zweryfikuj  ( co to jest   ?) sprawdzaćTak☒n
Referencje do infoboksu

W chemii kwas węglowy jest kwasem dwuzasadowym o wzorze chemicznym H 2 CO 3. Czysty związek rozkłada się w temperaturach wyższych niż ca. -80 °C.

W Biochemistry, nazwę „kwas karboksylowy” jest często stosowane do roztworów wodnych w dwutlenku węgla , które odgrywają ważną rolę w wodorowęglanu układu buforowego stosowane w celu utrzymania kwasowo-zasadowej homeostazy .

Równowagi chemiczne

Wartości stałej równowagi

Wykres Bjerrum dla specjacji węglanów w wodzie morskiej (siła jonowa 0,7 mol dm- 3 )

W roztworze wodnym kwas węglowy zachowuje się jak kwas dwuzasadowy. W Bjerrum działka zawiera typowe stężenia w stanie równowagi, w roztworze, w wodzie morskiej , dwutlenku węgla i różnych gatunków pochodzących z niego, w zależności od pH. Zakwaszenie wód naturalnych spowodowane jest rosnącym stężeniem dwutlenku węgla w atmosferze, co jest spowodowane spalaniem coraz większej ilości węgla i węglowodorów .

Oczekiwana zmiana dotyczy przewidywanego efektu dalszego zakwaszania oceanów . Szacuje się, że wzrost rozpuszczonego dwutlenku węgla spowodował spadek średniego pH powierzchni oceanu o około 0,1 w stosunku do poziomu sprzed epoki przemysłowej.

Baza danych stałych stabilności zawiera 136 wpisów z wartościami dla ogólnych stałych protonacji β 1 i β 2 jonu węglanowego. W poniższych wyrażeniach [H + ] przedstawia stężenie w równowadze związku chemicznego H + , itd.

Wartość log β 1 maleje wraz ze wzrostem siły jonowej , . W 25 °C:

 :
(wybrane dane z bazy danych SC)

Wartość log β 2 również maleje wraz ze wzrostem siły jonowej.

 :

Przy =0 i 25 °C wartości pK stopniowych stałych dysocjacji wynoszą

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

Gdy pH = pK, dwa związki chemiczne w równowadze mają to samo stężenie.

Uwaga 1 : Istnieje pozornie sprzecznych wartości w literaturze pK a . Pines i in. przytocz wartość „pK app ” wynoszącą 6,35, zgodną z wartością 6,77 wspomnianą powyżej. Podają również wartość „pK a ” wynoszącą 3,49 i stwierdzają, że

pK a = pK app − log K D (równanie 5)

gdzie K D = [CO 2 ] / [H 2 CO 3 ]. (przykład 3) Sytuacja wynika ze sposobu, w jaki stałe dysocjacji są nazwane i zdefiniowane, co jest jasno określone w tekście pracy Pines, ale nie w abstrakcie.

Uwaga 2 : Numeracja stałych dysocjacji jest odwrotnością numeracji stałych asocjacji , więc pK 2 (dysocjacja) = log β 1 (asocjacja). Wartość stałej krokowej dla równowagi

jest dany przez

pK 1 (dysocjacja) 1 = log β 2 − log β 1 (asocjacja)

W rozwiązaniach niebiologicznych

Uwodnienie stała równowagi w temperaturze 25 ° C jest nazywana K h , która w przypadku kwasu węglowego [H 2 CO 3 ] / [CO 2 ] ≈ 1,7 x 10 -3 w czystej wodzie i ≈ 1,2 x 10 -3 w wodzie morskiej . Stąd, większość dwutlenku węgla, nie przekształca się do kwasu karboksylowego, a pozostałe CO 2 cząsteczek. W przypadku braku katalizatora równowaga osiągana jest dość powoli. Te stałe szybkości są 0,039 s -1 do reakcji do przodu i 23 sek -1 do reakcji odwrotnej.

W naturze wapień może reagować z wodą deszczową , tworząc roztwór wodorowęglanu wapnia ; odparowanie takiego roztworu spowoduje ponowne wytworzenie stałego węglanu wapnia. Procesy te zachodzą przy tworzeniu stalaktytów i stalagmitów .

W rozwiązaniach biologicznych

Gdy enzym anhydraza węglanowa jest również obecny w roztworze, pierwszeństwo ma następująca reakcja.

Gdy ilość dwutlenku węgla wytworzonego w reakcji postępującej przekracza jego rozpuszczalność, wydziela się gaz i trzecia równowaga

należy również wziąć pod uwagę. Stałą równowagi dla tej reakcji określa prawo Henry'ego . Obie reakcje można połączyć w celu uzyskania równowagi w roztworze.

 :   

Gdy prawo Henry'ego jest używane do obliczenia wartości terminu w mianowniku, należy zachować ostrożność w odniesieniu do wymiarowości.

W fizjologii dwutlenek węgla wydalany przez płuca można nazwać kwasem lotnym lub kwasem oddechowym .

Użycie terminu kwas węglowy

Specjacja kwasu monoprotonowego, AH jako funkcja pH.

Mówiąc ściśle, termin „kwas węglowy” odnosi się do związku chemicznego o wzorze .

Ponieważ pK a1 ma wartość ca. 6.8, w równowadze kwas węglowy będzie prawie w 50% zdysocjowany w płynie pozakomórkowym ( cytozolu ), który ma pH około 7,2. Należy zauważyć, że rozpuszczony dwutlenek węgla w płynie pozakomórkowym jest często nazywany „kwasem węglowym” w literaturze biochemicznej ze względów historycznych. Reakcja, w której powstaje

HCO 3 − + H + ⇌ CO 2 + H 2 O

jest szybki w systemach biologicznych. Dwutlenek węgla można opisać jako bezwodnik kwasu węglowego.

Czysty kwas węglowy

Kwas węglowy, H 2 CO 3 , jest stabilny w temperaturze otoczenia w ściśle bezwodnych warunkach. Rozkłada się, tworząc dwutlenek węgla w obecności cząsteczek wody.

Kwas węglowy powstaje jako produkt uboczny napromieniania CO 2 /H 2 O, obok tlenku węgla i rodników (HCO i CO 3 ). Inną drogą tworzenia kwasu węglowego jest protonowanie wodorowęglanów (HCO 3 − ) wodnym roztworem HCl lub HBr. Należy to zrobić w warunkach kriogenicznych , aby uniknąć natychmiastowego rozkładu H 2 CO 3 na CO 2 i H 2 O. Amorficzny H 2 CO 3 tworzy się powyżej 120 K, a krystalizacja zachodzi powyżej 200 K, dając „β-H 2 CO 3 ”, jak określono za pomocą spektroskopii w podczerwieni . Widmo P-H 2 CO 3 zgadza się dobrze z produktem ubocznym CO 2 / H 2 O napromieniowanie. β-H 2 CO 3 sublimuje w temperaturze 230-260 K w dużej mierze bez rozkładu. Spektroskopia w podczerwieni z izolacją matrycy pozwala na rejestrację pojedynczych cząsteczek H 2 CO 3 .

Fakt, że kwas węglowy może powstać przez napromieniowanie stałej mieszaniny H 2 O + CO 2 lub nawet przez implantację protonu samego suchego lodu , dał podstawy do sugestii, że H 2 CO 3 można znaleźć w przestrzeni kosmicznej lub na Marsie , gdzie znaleziono zamarznięte lody H 2 O i CO 2 , a także promienie kosmiczne . Zaskakująca trwałość sublimowanego H 2 CO 3 aż do raczej wysokich temperaturach od 260 K umożliwia nawet w fazie gazowej H 2 CO 3 , to znaczy powyżej biegunowych czapki Mars. Obliczenia ab initio wykazały, że pojedyncza cząsteczka wody katalizuje rozkład cząsteczki kwasu węglowego w fazie gazowej na dwutlenek węgla i wodę. Przewiduje się, że przy braku wody dysocjacja gazowego kwasu węglowego będzie bardzo powolna, z okresem półtrwania w fazie gazowej wynoszącym 180 000 lat w temperaturze 300 K. Dotyczy to tylko przypadków, gdy cząsteczek jest niewiele i są od siebie oddalone, ponieważ Przewiduje się również, że kwas węglowy w fazie gazowej katalizuje swój własny rozkład poprzez tworzenie dimerów , które następnie rozpadają się na dwie cząsteczki: wodę i dwutlenek węgla.

Stwierdzono, że stały „kwas α-węglowy” jest wytwarzany w kriogenicznej reakcji wodorowęglanu potasu i roztworu HCl w metanolu . Twierdzenie to zostało zakwestionowane w pracy doktorskiej złożonej w styczniu 2014 r. Zamiast tego eksperymenty znakowania izotopów wskazują na udział estru monometylowego kwasu węglowego (CAME). Ponadto sublimowany osad je zawierają PRZYCHODZIŁ monomery i dimery nie oznacza H 2 CO 3 monomery i dimery wyżej zastrzeżeniach. Kolejne widma w podczerwieni z izolacją matrycy potwierdziły, że CAME zamiast kwasu węglowego znajduje się w fazie gazowej powyżej „kwasu α-węglowego”. Przypisanie jako CAME jest dodatkowo potwierdzane przez izolację matrycy substancji wytworzonej w fazie gazowej przez pirolizę.

Pomimo swojej skomplikowanej historii kwas węglowy może nadal występować jako odrębne polimorfy . Kwas węglowy tworzy się po utlenieniu CO rodnikami OH. Nie jest jasne czy jest to kwas karboksylowy wytwarza się w ten sposób, należy wziąć pod uwagę jako γ-H 2 CO 3 . Struktury β-H 2 CO 3 i γ-H 2 CO 3 nie zostały scharakteryzowane krystalograficznie.

Pod wysokim ciśnieniem

Chociaż cząsteczki H 2 CO 3 nie stanowią znaczącej części rozpuszczonego węgla w wodnym „kwasie węglowym” w warunkach otoczenia, znaczne ilości cząsteczkowego H 2 CO 3 mogą występować w roztworach wodnych poddanych ciśnieniu wielu gigapaskali (dziesiątki tysięcy atmosfer), jakie mogą wystąpić we wnętrzach planet.

Kwas węglowy powinien być stabilizowany pod ciśnieniem 0,6-1,6  GPa w 100  K i 0,75-1,75 GPa w 300 K. Ciśnienia te są osiągane w rdzeniach dużych lodowych satelitów, takich jak Ganimedes , Callisto i Titan , gdzie woda i dwutlenek węgla są obecni. Czysty kwas węglowy, będąc gęstszy, zatapiałby się następnie pod warstwami lodu i oddzielał je od skalistych jąder tych księżyców.

Bibliografia

Dalsza lektura

Zewnętrzne linki