stringtranslate.com

Угольная кислота

Угольная кислота представляет собой химическое соединение с химической формулой H 2 CO 3 . Молекула быстро превращается в воду и углекислый газ в присутствии воды. Однако в отсутствие воды он (вопреки распространенному мнению) вполне стабилен при комнатной температуре. [4] [5] Взаимное превращение углекислого газа и углекислоты связано с дыхательным циклом животных и подкислением природных вод . [3]

В биохимии и физиологии название «угольная кислота» иногда применяется к водным растворам углекислого газа . Эти химические соединения играют важную роль в бикарбонатной буферной системе , используемой для поддержания кислотно-основного гомеостаза . [6]

Терминология в биохимической литературе

В химии термин «угольная кислота» строго относится к химическому соединению с формулой H.
2СО
3. В некоторой литературе по биохимии стирается различие между углекислотой и углекислым газом, растворенными во внеклеточной жидкости.

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

Безводная угольная кислота

При температуре окружающей среды чистая угольная кислота представляет собой стабильный газ. [5] Существует два основных метода получения безводной угольной кислоты: реакция хлористого водорода и бикарбоната калия при 100 К в метаноле и облучение протонами чистого твердого диоксида углерода . [2] Химически он ведет себя как дипротонная кислота Бренстеда . [7] [8]

Мономеры угольной кислоты имеют три конформационных изомера : цис-цис, цис-транс и транс-транс. [9]

При низких температурах и атмосферном давлении твердая угольная кислота аморфна и не имеет брэгговских пиков при дифракции рентгеновских лучей . [10] Но при высоком давлении угольная кислота кристаллизуется, и современная аналитическая спектроскопия может измерить ее геометрию.

По данным нейтронографии дидейтерированной угольной кислоты ( D
2СО
3) в гибридной зажатой ячейке (российский сплав/ медь-бериллий ) при 1,85 ГПа молекулы плоские и образуют димеры, соединенные парами водородных связей . Все три связи CO почти равноудалены на расстоянии 1,34  Å, что является промежуточным между типичными расстояниями CO и C=O (соответственно 1,43 и 1,23  Å). Необычная длина связи CO объясняется делокализованной π-связью в центре молекулы и чрезвычайно прочными водородными связями. Те же эффекты также вызывают очень короткое разделение O—O (2,13  Å) за счет угла OHO 136 ° , создаваемого 8-членными кольцами с двойными водородными связями. [3] Более длинные расстояния O—O наблюдаются в сильных внутримолекулярных водородных связях, например в щавелевой кислоте , где расстояния превышают 2,4  Å. [10]

В водном растворе

Даже в небольшом присутствии воды угольная кислота дегидратируется до углекислого газа и воды , что затем катализирует дальнейшее разложение. [5] По этой причине диоксид углерода можно считать ангидридом угольной кислоты .

Константа гидратного равновесия при 25 °C равна[ Ч
2СО
3]/[CO 2 ] ≈ 1,7×10 -3в чистой воде [11] и ≈ 1,2×10–3 в морской воде . [12] Таким образом, большая часть углекислого газа на геофизических или биологических границах раздела воздух-вода не превращается в угольную кислоту, а остается растворенным газом CO 2 . Однако некатализируемое равновесие достигается достаточно медленно: константы скорости составляют 0,039 с -1 для гидратации и 23 с -1 для дегидратации.

В биологических растворах

В присутствии фермента карбоангидразы равновесие вместо этого достигается быстро, и следующая реакция имеет приоритет: [13]

Когда образовавшийся углекислый газ превышает его растворимость, выделяется газ и возникает третье равновесие.

законом Генри

Две реакции можно объединить для достижения равновесия в растворе:

необходимо внимательно[14]

Под высоким парциальным давлением CO 2

В индустрии напитков газированную или «газированную воду» обычно называют газированной водой . Его получают путем растворения углекислого газа под небольшим положительным давлением в воде. Многие безалкогольные напитки трактуются так же, как шипучие .

Значительные количества молекулярного H
2СО
3существуют в водных растворах, подвергающихся давлению в несколько гигапаскалей (десятки тысяч атмосфер) в недрах планет. [15] [16] Давление 0,6–1,6  ГПа при 100  К и 0,75–1,75 ГПа при 300 К достигается в ядрах крупных ледяных спутников, таких как Ганимед , Каллисто и Титан , где присутствуют вода и углекислый газ. Ожидается, что чистая угольная кислота, будучи более плотной, погрузится под слои льда и отделит их от скалистых ядер этих спутников. [17]

Связь с бикарбонатом и карбонатом

График Бьеррума видообразования гипотетической монопротонной кислоты: концентрация AH как функция разницы между p K и p H

Угольная кислота представляет собой формальную кислоту, сопряженную по Бренстеду-Лоури с бикарбонат- анионом, стабильную в щелочном растворе . Константы протонирования измерены с большой точностью, но зависят от общей ионной силы I. Два равновесия, которые легче всего измерить, таковы:

где скобкиконцентрацию[18]
log( β 1 )Ilog( β 2 )I = 0константы ступенчатой ​​диссоциации
p K 1 = 6,35p K 2 - p K 1 = 3,49[19]

Чтобы интерпретировать эти числа, обратите внимание, что два химических вещества, находящиеся в кислотном равновесии, равноконцентрированы , когда p K = p H. В частности, внеклеточная жидкость ( цитозоль ) в биологических системах имеет pH ≈ 7,2 , так что угольная кислота в равновесии будет диссоциирована почти на 50%.

Закисление океана

Карбонатные образования в морской воде (ионная сила 0,7 моль/дм 3 ). Ожидаемое изменение связано с текущим антропогенным увеличением концентрации углекислого газа в атмосфере .

График Бьеррума показывает типичные равновесные концентрации в растворе и морской воде углекислого газа и различных его производных в зависимости от pH . [7] [8] Поскольку индустриализация человечества увеличила долю углекислого газа в атмосфере Земли , ожидается, что доля углекислого газа, растворенного в морской и пресной воде в виде углекислоты, также увеличится. Ожидается, что этот рост содержания растворенной кислоты также приведет к подкислению этих вод, что приведет к снижению pH. [20] [21] Было подсчитано, что увеличение растворенного углекислого газа уже привело к снижению среднего pH поверхности океана примерно на 0,1 по сравнению с доиндустриальным уровнем.

дальнейшее чтение

Рекомендации

  1. ^ "Передняя часть". Номенклатура органической химии: рекомендации ИЮПАК и предпочтительные названия 2013 г. (Синяя книга) . Кембридж: Королевское химическое общество . 2014. стр. P001–4. дои : 10.1039/9781849733069-FP001. ISBN 978-0-85404-182-4.
  2. ^ аб В. Хаге, К. Р. Лидл; Лидл, Э.; Холлбрукер, А; Майер, Э. (1998). «Углекислота в газовой фазе и ее астрофизическая значимость». Наука . 279 (5355): 1332–5. Бибкод : 1998Sci...279.1332H. дои : 10.1126/science.279.5355.1332. ПМИД  9478889.
  3. ^ abc Бенц, Себастьян; Чен, Да; Мёллер, Андреас; Хофманн, Майкл; Шнидерс, Дэвид; Дронсковски, Ричард (сентябрь 2022 г.). «Кристаллическая структура угольной кислоты». Неорганика . 10 (9): 132. doi : 10.3390/inorganics10090132 . ISSN  2304-6740.
  4. ^ Гринвуд, Норман Н .; Эрншоу, Алан (1997). Химия элементов (2-е изд.). Баттерворт-Хайнеманн . п. 310. ИСБН 978-0-08-037941-8.
  5. ^ abc Лортинг, Томас ; Таутерманн, Кристофер; Кремер, Романо Т.; Коль, Ингрид; Холлбрукер, Андреас; Майер, Эрвин; Лидл, Клаус Р.; Лёртинг, Томас; Таутерманн, Кристофер; Коль, Ингрид; Холлбрукер, Андреас; Эрвин, Майер; Лидл, Клаус Р. (2000). «Об удивительной кинетической стабильности угольной кислоты (H 2 CO 3 )». Angewandte Chemie, международное издание . 39 (5): 891–4. doi :10.1002/(SICI)1521-3773(20000303)39:5<891::AID-ANIE891>3.0.CO;2-E. ПМИД  10760883.
  6. ^ Кислотно-щелочная физиология 2.1 - Кислотно-щелочной баланс Керри Брэндис.
  7. ^ аб Панготра, Дхананджай; Чепей, Ленард-Иштван; Рот, Арне; Понсе де Леон, Карлос; Зибер, Волкер; Виейра, Лусиана (2022). «Анодное производство перекиси водорода с использованием промышленных углеродных материалов». Прикладной катализ Б: Экология . 303 : 120848. doi : 10.1016/j.apcatb.2021.120848. S2CID  240250750.
  8. ^ Аб Андерсен, CB (2002). «Понимание карбонатного равновесия путем измерения щелочности в экспериментальных и природных системах». Журнал геонаучного образования . 50 (4): 389–403. Бибкод : 2002JGeEd..50..389A. дои : 10.5408/1089-9995-50.4.389. S2CID  17094010.
  9. ^ Лортинг, Томас; Бернард, Юрген (2010). «Водная угольная кислота (H 2 CO 3 )». ChemPhysChem (11): 2305–9. дои : 10.1002/cphc.201000220.
  10. ^ Аб Винкель, Катрин; Хаге, Вольфганг; Лёртинг, Томас; Прайс, Сара Л.; Майер, Эрвин (2007). «Углекислота: от полиаморфизма к полиморфизму». Журнал Американского химического общества . 129 (45): 13863–71. дои : 10.1021/ja073594f. ПМИД  17944463.
  11. ^ Хаускрофт, CE; Шарп, AG (2005). Неорганическая химия (2-е изд.). Прентис-Пирсон-Холл. п. 368. ИСБН 0-13-039913-2. ОСЛК  56834315.
  12. ^ Соли, Алабама; 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. дои : 10.1016/S0304-4203(02)00010-5.
  13. ^ Линдског С (1997). «Строение и механизм карбоангидразы». Фармакология и терапия . 74 (1): 1–20. дои : 10.1016/S0163-7258(96)00198-2. ПМИД  9336012.
  14. ^ Сандер, Рольф; Акри, Уильям Э.; Вишер, Алекс Де; Шварц, Стивен Э.; Уоллингтон, Тимоти Дж. (1 января 2022 г.). «Константы закона Генри (Рекомендации ИЮПАК 2021 г.)». Чистая и прикладная химия . 94 (1): 71–85. дои : 10.1515/pac-2020-0302 . ISSN  1365-3075.
  15. ^ Ван, Хунбо; Цойшнер, Янек; Еремец Михаил; Троян, Иван; Уильямс, Джонатон (27 января 2016 г.). «Стабильный твердый и водный H2CO3 из CO2 и H2O при высоком давлении и высокой температуре». Научные отчеты . 6 (1): 19902. Бибкод : 2016NatSR...619902W. дои : 10.1038/srep19902 . ПМЦ 4728613 . ПМИД  26813580. 
  16. ^ Столте, Нор; Пан, Дин (4 июля 2019 г.). «Большое присутствие угольной кислоты в богатых CO 2 водных жидкостях в условиях мантии Земли». Журнал физической химии . 10 (17): 5135–41. arXiv : 1907.01833 . doi : 10.1021/acs.jpclett.9b01919. PMID  31411889. S2CID  195791860.
  17. ^ Г. Салех; А. Р. Оганов (2016). «Новые стабильные соединения в тройной системе CHO при высоком давлении». Научные отчеты . 6 : 32486. Бибкод : 2016NatSR...632486S. дои : 10.1038/srep32486. ПМК 5007508 . ПМИД  27580525. 
  18. ^ ИЮПАК (2006). "Константы устойчивости" (база данных).
  19. ^ Пайнс, Дина; Диткович, Юлия; Мукра, Цах; Миллер, Ифат; Кифер, Филип М.; Дащакраборти, Снехасис; Хайнс, Джеймс Т.; Пайнс, Эхуд (2016). «Насколько кислая угольная кислота?». J Phys Chem B. 120 (9): 2440–51. doi : 10.1021/acs.jpcb.5b12428. ПМЦ 5747581 . ПМИД  26862781. 
  20. ^ Кальдейра, К.; Уикетт, Мэн (2003). «Антропогенный углерод и pH океана». Природа . 425 (6956): 365. Бибкод : 2001AGUFMOS11C0385C. дои : 10.1038/425365a . PMID  14508477. S2CID  4417880.
  21. ^ Сабина, CL (2004). «Океанический поглотитель антропогенного CO2». Наука . 305 (5682): 367–371. Бибкод : 2004Sci...305..367S. дои : 10.1126/science.1097403. hdl : 10261/52596 . PMID  15256665. S2CID  5607281. Архивировано из оригинала 6 июля 2008 года . Проверено 22 июня 2021 г.

Внешние ссылки