Kyselina uhličitá - Carbonic acid
| |||
Jména | |||
---|---|---|---|
Preferovaný název IUPAC Kyselina uhličitá[1] | |||
Identifikátory | |||
3D model (JSmol ) | |||
ChEBI | |||
ChEMBL | |||
ChemSpider | |||
Informační karta ECHA | 100.133.015 ![]() | ||
Číslo ES |
| ||
KEGG | |||
PubChem CID | |||
Řídicí panel CompTox (EPA) | |||
| |||
| |||
Vlastnosti | |||
Vzhled | bezbarvý | ||
Kyselost (strK.A) | pK.a1≈3,6, sK.a2≈6.3 | ||
Konjugovaná základna | Hydrogenuhličitan, Uhličitan | ||
Pokud není uvedeno jinak, jsou uvedeny údaje o materiálech v nich standardní stav (při 25 ° C [77 ° F], 100 kPa). | |||
![]() ![]() ![]() | |||
Reference Infoboxu | |||
V chemii Kyselina uhličitá je kyselina dibázová s chemický vzorec H2CO3. Čistá sloučenina se rozkládá při teplotách vyšších než ca. -80 ° C.[2] Kyselina uhličitá je důležitou složkou v okyselení oceánu.
V biochemii se často používá název „kyselina uhličitá“ vodní roztoky z oxid uhličitý, které hrají důležitou roli v EU hydrogenuhličitanový pufrovací systém, sloužící k údržbě acidobazická homeostáza.[3]
Chemické rovnováhy
V nebiologických řešeních
Když se oxid uhličitý rozpouští ve vodě, existuje v chemická rovnováha s kyselinou uhličitou:[4]
The hydratace rovnovážná konstanta při 25 ° C se nazývá K.h, což je v případě kyseliny uhličité [H2CO3] / [CO2] ≈ 1.7×10−3 v čisté vodě[5] a ≈ 1,2 × 10−3 v mořská voda.[6] Většina oxidu uhličitého se tedy nepřeměňuje na kyselinu uhličitou a zůstává jako CO2 molekuly. Při absenci a katalyzátor, rovnováhy je dosaženo poměrně pomalu. The rychlostní konstanty jsou 0,039 s−1 pro dopřednou reakci a 23 s−1 pro zpětnou reakci.

Ve vodném roztoku se kyselina uhličitá chová jako a kyselina dibázová. pKa1, logaritmus první disociační konstanty má hodnotu ca. 3,6 při 25 ° C. Stejně jako všechny disociační konstanty se přesná hodnota mění s iontová síla řešení.
- :

Nedisociovaná kyselina uhličitá bude přítomna (ve významné koncentraci) pouze v roztocích, které jsou mírně kyselé. V geologii, vápenec může reagovat s dešťová voda, který je mírně kyselý, za vzniku roztoku hydrogenuhličitan vápenatý; odpařování těchto roztoků může vést k tvorbě stalaktity a stalagmity.
Kologaritmus druhé (postupné) disociační konstanty, pKa2, má hodnotu ca. 6,35 při 25 ° C. Z toho vyplývá, že koncentrace hydrogenuhličitan iont bude více než 1% v roztocích v rozsahu pH ca. 4 - 8. V tomto rozmezí pH se hydrogenuhličitanový ion disociuje na uhličitan iontový CO32− a hydronium ion.
- :
The Spiknutí Bjerrum vpravo ukazuje vypočtené rovnovážné koncentrace různých druhů v mořská voda jako funkce pH.[7] Kvůli mnoha řádově rozpětí koncentrací je měřítko svislé osy logaritmický. Okyselení přírodních vod je způsobeno zvyšující se koncentrací oxidu uhličitého v atmosféře, o níž se předpokládá, že je způsobena spalováním rostoucího množství uhlí a uhlovodíky.[8][9] Odhaduje se, že extra rozpuštěný oxid uhličitý způsobil, že se průměrné povrchové pH oceánu posunulo z předindustriální úrovně asi o 0,1 jednotky. Toto je známé jako okyselení oceánu, přestože oceán zůstává základní.[10]
V biologických řešeních
Když enzym uhličitá anhydráza je také přítomna v roztoku, má přednost následující reakce.[11]
Když množství oxidu uhličitého vytvořeného dopřednou reakcí překročí jeho rozpustnost, uvolní se plyn a nastane třetí rovnováha
také je třeba vzít v úvahu. Rovnovážná konstanta pro tuto reakci je definována vztahem Henryho zákon. Tyto dvě reakce lze kombinovat pro dosažení rovnováhy v roztoku.
- :
Když se použije Henryho zákon k výpočtu hodnoty výrazu ve jmenovateli je nutná péče s ohledem na rozměrnost.
v fyziologie může být nazýván oxid uhličitý vylučovaný plícemi těkavá kyselina nebo kyselina respirační.
Použití termínu kyselina uhličitá
Přísně vzato se termín „kyselina uhličitá“ vztahuje na chemická sloučenina se vzorcem . Při biologickém pH je však koncentrace této sloučeniny nižší než 0,01% z celkové koncentrace kyseliny. To vyplývá ze skutečnosti, že jeho pKA hodnota je ca. 3,6, zatímco pH extracelulární tekutina je ca. 7,2. A výpočet rozdělení druhů ukazuje, že podíl je již menší než 1% při pH> 5,6. Proto v podstatě neexistuje přítomný v biologických roztocích; tam je ca. 99% hydrogenuhličitan a přibližně 1% uhličitan, jak je znázorněno na obrázku výše.
Nicméně, rozpuštěný oxid uhličitý je obecně popsán jako kyselina uhličitá v biochemické literatuře, z historických důvodů. Technicky je to oxid uhličitý anhydrid kyseliny uhličité (srov. oxid sírový, anhydrid kyselina sírová ).
Čistá kyselina uhličitá
Kyselina uhličitá se tvoří jako vedlejší produkt CO2/ H2O ozařování, kromě oxidu uhelnatého a radikálních druhů (HCO a CO3).[2] Další cestou k tvorbě kyseliny uhličité je protonace bikarbonátů (HCO3−) s vodným HCl nebo HBr. To je třeba provést v kryogenní podmínky, aby se zabránilo okamžitému rozkladu H2CO3 do CO2 a H2Ó.[12] Amorphous H2CO3 formy nad 120 K a ke krystalizaci dochází nad 200 K za vzniku „β-H2CO3", jak určuje infračervená spektroskopie. Spektrum β-H2CO3 velmi dobře souhlasí s vedlejším produktem po CO2/ H2O ozáření.[2] β-H2CO3 sublimuje při 230 - 260 K převážně bez rozkladu. Maticová izolace infračervená spektroskopie umožňuje záznam jednotlivých molekul H2CO3.[13]
Skutečnost, že se kyselina uhličitá může tvořit ozářením pevného H2O + CO2 směs nebo dokonce protonovou implantací Suchý led sama[14] vyvolalo návrhy, že H2CO3 mohou být nalezeny ve vesmíru nebo na Mars, kde zmrzlé ledy H2O a CO2 jsou nalezeny, stejně jako kosmické paprsky.[15][16] Překvapivá stabilita sublimovaného H2CO3 až do poměrně vysokých teplot 260 K dokonce umožňuje plynnou fázi H2CO3např. nad pólovými kryty Marsu.[13] Ab initio výpočty ukázaly, že jedna molekula vody katalyzuje rozklad molekuly kyseliny uhličité v plynné fázi na oxid uhličitý a vodu. V nepřítomnosti vody se předpokládá, že disociace plynné kyseliny uhličité bude velmi pomalá, s a poločas rozpadu v plynné fázi 180 000 let při 300 K.[15] To platí pouze v případě, že je molekul málo a daleko od sebe, protože se také předpokládalo, že kyselina uhličitá v plynné fázi bude katalyzovat svůj vlastní rozklad tvorbou dimery, které se poté rozpadají na dvě molekuly, každou z nich je voda a oxid uhličitý.[17]
Tvrdilo se, že tuhá "kyselina a-uhličitá" byla generována a kryogenní reakce hydrogenuhličitan draselný a řešení HCl v methanolu.[18][19] Toto tvrzení bylo zpochybněno v disertační práci předložené v lednu 2014.[20] Místo toho experimenty označování izotopů poukazují na zapojení monomethylester kyseliny uhličité (PŘIŠEL). Dále se předpokládalo, že sublimovaná pevná látka obsahuje monomery a dimery CAME, nikoli H2CO3 monomery a dimery, jak bylo dříve nárokováno.[21] Následující izolace matice infračervená spektra potvrdila, že v plynné fázi nad „kyselinou α-uhličitou“ se nachází spíše CAME než kyselina uhličitá.[22] Přiřazení jako CAME je dále potvrzeno izolací matrice látky připravené v plynné fázi pyrolýzou.[16]
I přes svou komplikovanou historii se kyselina uhličitá může stále jevit jako odlišná polymorfy. Kyselina uhličitá se tvoří při oxidaci CO radikály OH.[23] Není jasné, zda je třeba takto připravenou kyselinu uhličitou považovat za γ-H2CO3. Struktury β-H2CO3 a y-H2CO3 nebyly charakterizovány krystalograficky.
Reference
- ^ „Přední záležitost“. Nomenklatura organické chemie: Doporučení IUPAC a preferovaná jména 2013 (modrá kniha). Cambridge: The Royal Society of Chemistry. 2014. str. P001 – P004. doi:10.1039 / 9781849733069-FP001. ISBN 978-0-85404-182-4.
- ^ A b C M. H. Moore; R. K. Khanna (1990). „Infračervené a hmotnostní spektrální studie protonu ozářeného H2O + CO2 led: Důkazy pro kyselinu uhličitou “. Spectrochimica Acta část A. 47 (2): 255–262. Bibcode:1991AcSpA..47..255M. doi:10.1016/0584-8539(91)80097-3.
- ^ Acidobazická fyziologie 2.1 - Acidobazická rovnováha autor: Kerry Brandis.
- ^ Greenwood, Norman N.; Earnshaw, Alan (1997). Chemie prvků (2. vyd.). Butterworth-Heinemann. p. 310. ISBN 978-0-08-037941-8.
- ^ Housecroft a Sharpe, Anorganická chemie, 2. vydání, Prentice-Pearson-Hall 2005, s. 368.
- ^ Soli, A. L .; R. H. Byrne (2002). „CO2 kinetika hydratace a dehydratace systému a rovnovážný CO2/ H2CO3 poměr ve vodném roztoku NaCl ". Marine Chemistry. 78 (2–3): 65–73. doi:10.1016 / S0304-4203 (02) 00010-5.
- ^ Andersen, C. B. (2002). "Porozumění uhličitanovým rovnováhám měřením zásaditosti v experimentálních a přírodních systémech". Journal of Geoscience Education. 50 (4): 389–403. Bibcode:2002JGeEd..50..389A. doi:10.5408/1089-9995-50.4.389.
- ^ Caldeira, K .; Wickett, M. E. (2003). „Antropogenní uhlík a pH oceánu“. Příroda. 425 (6956): 365. Bibcode:2001AGUFMOS11C0385C. doi:10.1038 / 425365a. PMID 14508477. S2CID 4417880.
- ^ Sabine, C. L .; et al. (2004). „Oceánský dřez pro antropogenní CO2". Věda. 305 (5682): 367–371. Bibcode:2004Sci ... 305..367S. doi:10.1126 / science.1097403. hdl:10261/52596. PMID 15256665. S2CID 5607281. Archivovány od " originál 6. července 2008.
- ^ Národní rada pro výzkum. "Souhrn". Okyselení oceánu: Národní strategie pro řešení výzev měnícího se oceánu. Washington, DC: The National Academies Press, 2010. 1. Tisk.
- ^ Lindskog S (1997). "Struktura a mechanismus karboanhydrázy". Farmakologie a terapeutika. 74 (1): 1–20. doi:10.1016 / S0163-7258 (96) 00198-2. PMID 9336012.
- ^ Hage, Wolfgang; Hallbrucker, Andreas; Mayer, Erwin (1995). "Polymorf kyseliny uhličité a jeho možný astrofyzikální význam". Journal of the Chemical Society, Faraday Transactions. 91 (17): 2823. Bibcode:1995JCSFT..91.2823H. doi:10,1039 / ft9959102823.
- ^ A b Bernard, Jürgen; Huber, Roland G .; Liedl, Klaus R .; Grothe, Hinrich; Loerting, Thomas (14. května 2013). „Maticové izolační studie kyseliny uhličité - parní fáze nad β-polymorfem“. Journal of the American Chemical Society. 135 (20): 7732–7737. doi:10.1021 / ja4020925. PMC 3663070. PMID 23631554.
- ^ Brucato, J; Palumbo, M; Strazzulla, G (leden 1997). „Kyselina uhličitá iontovou implantací ve směsích ledu voda / oxid uhličitý“. Icarus. 125 (1): 135–144. doi:10.1006 / icar.1996.5561.
- ^ A b Loerting, Thomas; Tautermann, Christofer; Kroemer, Romano T .; Kohl, Ingrid; Hallbrucker, Andreas; Mayer, Erwin; Liedl, Klaus R. (3. března 2000). „O překvapivé kinetické stabilitě kyseliny uhličité (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.
- ^ A b Reisenauer, H. P .; Wagner, J. P .; Schreiner, P. R. (2014). „Příprava kyseliny uhličité a jejího monomethylesteru v plynné fázi“. Angew. Chem. Int. Vyd. 53 (44): 11766–11771. doi:10,1002 / anie.201406969. PMID 25196920.
- ^ de Marothy, S.A. (2013). "Autokatalytický rozklad kyseliny uhličité". Int. J. Quantum Chem. 113 (20): 2306–2311. doi:10,1002 / qua.24452.
- ^ Hage, W .; Hallbrucker, A .; Mayer, E. (1993). „Kyselina uhličitá: Syntéza protonací bikarbonátu a spektroskopická charakterizace FTIR pomocí nové kryogenní techniky“. J. Am. Chem. Soc. 115 (18): 8427–8431. Bibcode:1993JAChS.115.8427H. doi:10.1021 / ja00071a061.
- ^ „Tisková zpráva: Nejprve mezinárodní: Izolovaná kyselina uhličitá v plynné fázi“. Technische Universität Wien. 11. ledna 2011. Archivovány od originál dne 9. srpna 2017. Citováno 9. srpna 2017.
- ^ Bernard, Jürgen (leden 2014). Tuhá a plynná kyselina uhličitá (PDF) (Disertační práce). University of Innsbruck.
- ^ Bernard, Jürgen; Seidl, Markus; Kohl, Ingrid; Liedl, Klaus R .; Mayer, Erwin; Gálvez, Óscar; Grothe, Hinrich; Loerting, Thomas (18. února 2011). „Spektroskopické pozorování matrice izolované kyseliny uhličité zachycené z plynné fáze“. Angewandte Chemie International Edition. 50 (8): 1939–1943. doi:10,1002 / anie.201004729. PMID 21328675.
- ^ Köck, Eva ‐ Maria; Bernard, Jürgen; Podewitz, Maren; Dinu, Dennis F .; Huber, Roland G .; Liedl, Klaus R .; Grothe, Hinrich; Bertel, Erminald; Schlögl, Robert; Loerting, Thomas (26. listopadu 2019). „Znovu navštívená kyselina alfa-karbonová: Monomethylester kyseliny uhličité jako pevná látka a její konformační izomerismus v plynné fázi“. Chemistry - A European Journal. 26 (1): 285–305. doi:10.1002 / chem.201904142. PMC 6972543. PMID 31593601.
- ^ Oba, Yasuhiro; Watanabe, Naoki; Kouchi, Akira; Hama, Tetsuya; Pirronello, Valerio (20. října 2010). "Tvorba kyseliny uhličité (H2CO3) Povrchovými reakcemi neenergetických radikálů OH s molekulami CO při nízkých teplotách ". Astrofyzikální deník. 722 (2): 1598–1606. Bibcode:2010ApJ ... 722.1598O. doi:10.1088 / 0004-637X / 722/2/1598.
Další čtení
"Podnebí a kyselina uhličitá " v Populární věda měsíčně Svazek 59, červenec 1901
- Welch, M. J .; Lifton, J. F .; Seck, J. A. (1969). "Tracerové studie s radioaktivním kyslíkem-15. Výměna mezi oxidem uhličitým a vodou". J. Phys. Chem. 73 (335): 3351. doi:10.1021 / j100844a033.
- Jolly, W. L. (1991). Moderní anorganická chemie (2. vydání). New York: McGraw-Hill. ISBN 978-0-07-112651-9.
- Moore, M. H .; Khanna, R. (1991). „Infračervené a hmotnostní spektrální studie protonu ozářeného ledu H2O + Co2: důkazy o ledu kyseliny uhličité: důkazy o kyselině uhličité“. Spectrochimica Acta. 47A (2): 255–262. Bibcode:1991AcSpA..47..255M. doi:10.1016/0584-8539(91)80097-3.
- W. Hage, K. R. Liedl; Liedl, E .; Hallbrucker, A; Mayer, E (1998). „Kyselina uhličitá v plynné fázi a její astrofyzikální význam“. Věda. 279 (5355): 1332–1335. Bibcode:1998Sci ... 279.1332H. doi:10.1126 / science.279.5355.1332. PMID 9478889.
- Hage, W .; Hallbrucker, A .; Mayer, E. (1995). „Polymorf kyseliny uhličité a jeho možná astrofyzikální významnost“. J. Chem. Soc. Faraday Trans. 91 (17): 2823–2826. Bibcode:1995JCSFT..91.2823H. doi:10,1039 / ft9959102823.
externí odkazy
- Zeptejte se vědce: Rozklad kyseliny uhličité (archiv )
- Proč se o existenci kyseliny uhličité tak dlouho nespravedlivě pochybovalo?
- Rovnováha kyseliny uhličité / hydrogenuhličitanu / uhličitanu ve vodě: pH roztoků, kapacita pufru, titrace a distribuce druhů vs. pH vypočítané pomocí volné tabulky
- Jak vypočítat koncentraci kyseliny uhličité ve vodě