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 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 .
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.
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]
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
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.
Уэлч, MJ; Лифтон, Дж. Ф.; Сек, Дж. А. (1969). «Трассерные исследования с радиоактивным кислородом-15. Обмен между углекислым газом и водой». Дж. Физ. хим. 73 (335): 3351. doi :10.1021/j100844a033.
Джолли, WL (1991). Современная неорганическая химия (2-е изд.). МакГроу-Хилл. ISBN 978-0-07-112651-9.
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.
Хаге, В.; Холлбрукер, А.; Майер, Э. (1995). «Полиморфная модификация угольной кислоты и ее возможная астрофизическая значимость». Дж. Хим. Соц. Фарадей Транс. 91 (17): 2823–6. Бибкод : 1995JCSFT..91.2823H. дои : 10.1039/ft9959102823.
Рекомендации
^ "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. ISBN978-0-85404-182-4.
^ 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.
^ 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.
^ 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.
^ 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.
^ 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.
^ Хаускрофт, CE; Шарп, AG (2005). Неорганическая химия (2-е изд.). Прентис-Пирсон-Холл. п. 368. ИСБН0-13-039913-2. ОСЛК 56834315.
^ 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.
^ Линдског С (1997). «Строение и механизм карбоангидразы». Фармакология и терапия . 74 (1): 1–20. дои : 10.1016/S0163-7258(96)00198-2. ПМИД 9336012.
^ 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.
^ 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.
^ 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.
^ 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.
^ 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
Равновесие углекислоты/бикарбоната/карбоната в воде: pH растворов, буферная емкость, титрование и распределение видов в зависимости от pH, рассчитанное с помощью бесплатной электронной таблицы.