Kwas węglowy

Nie mylić z kwasem karbolowym .

Kwas węglowy

Nazwy
nazwa IUPAC Kwas węglowy
Inne nazwy Kwas hydroksymrówkowy Kwas hydroksymetanowy Dihydroksykarbonyl
Identyfikatory
Numer CAS	463-79-6   Y
Model 3D ( JSmol )	Interaktywny obraz
CHEBI	CHEBI:28976   Y
CHEMBL	ChEMBL1161632   Y
ChemSpider	747   J
Bank Leków	DB14531
Karta informacyjna ECHA	100.133.015
Numer WE	610-295-3
Referencja Gmelin	25554
KEGG	C01353   Y
Identyfikator klienta PubChem	767
UNII	142M471B3J   T
Pulpit nawigacyjny CompTox ( EPA )	DTXSID9043801
InChI InChI=1S/CH2O3/c2-1(3)4/h(H2,2,3,4)   Y Klucz: BVKZGUZCCUSVTD-UHFFFAOYSA-N   Y InChI=1/H2O3/c2-1(3)4/h(H2,2,3,4) Klucz: BVKZGUZCCUSVTD-UHFFFAOYAU
UŚMIECH O=C(O)O
Nieruchomości
Wzór chemiczny	H2CO3 _ _ _
Wygląd	Bezbarwny gaz
Temperatura topnienia	-53 ° C (-63 ° F; 220 K) (sublimuje)
Temperatura wrzenia	127 ° C (261 ° F; 400 K) (rozkłada się)
Rozpuszczalność w wodzie	Reaguje tworząc dwutlenek węgla i wodę
Baza sprzężona	Wodorowęglan , Węglan
Zagrożenia
NFPA 704 (ognisty diament)	0 0 1
Struktura
Struktura krystaliczna	Jednoskośny
Grupa kosmiczna	s. 21/c, nr 14
Grupa punktowa	-
Stała kratowa	a = 5,392 Å, b = 6,661 Å, c = 5,690 Å α = 90°, β = 92,66°, γ = 90° (D2CO3 przy 1,85 GPa, 298 K )
Objętość kraty ( V )	204,12 Å3
Jednostki wzoru ( Z )	4 formuły na komórkę
O ile nie zaznaczono inaczej, dane podano dla materiałów w stanie normalnym (przy 25°C [77°F], 100 kPa).   Y ( co to jest Y N ?) Referencje w infoboksie

W chemii kwas węglowy jest związkiem nieorganicznym o wzorze chemicznym H ₂ C O ₃ . Jako rozcieńczony roztwór w wodzie jest wszechobecny, ale czysty związek, bezbarwny gaz, można uzyskać tylko w temperaturach około -80 ° C. Cząsteczka szybko przekształca się w wodę i dwutlenek węgla w obecności wody, jednak pod nieobecność wody, wbrew powszechnemu przekonaniu, jest dość stabilna w temperaturze pokojowej. Wzajemna konwersja dwutlenku węgla i kwasu węglowego jest związana z cyklem oddychania zwierząt i kwasowością wód naturalnych .

W biochemii i fizjologii nazwą „kwas węglowy” często określa się wodne roztwory dwutlenku węgla , które odgrywają ważną rolę w systemie buforowym wodorowęglanów , służącym do utrzymania homeostazy kwasowo-zasadowej .

Równowagi chemiczne

Wartości stałych równowagi

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

W roztworze wodnym kwas węglowy zachowuje się jak kwas dwuzasadowy . Wykres Bjerrum pokazuje typowe stężenia równowagowe w roztworze, w wodzie morskiej , dwutlenku węgla i różnych form z niego pochodzących, w funkcji pH. Zakwaszenie wód naturalnych spowodowane jest wzrostem stężenia dwutlenku węgla w atmosferze, co jest spowodowane spalaniem coraz większych ilości węgla i węglowodorów .

Oczekiwana zmiana odnosi się do przewidywanego efektu dalszego zakwaszania oceanów . Oszacowano, 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 całkowitych stałych protonowania, β1 _i β2 _, jonu węglanowego. W poniższych wyrażeniach [H ⁺ ] oznacza stężenie w równowadze związków chemicznych H ⁺ itd.

Wartość log β ₁ maleje wraz ze wzrostem siły jonowej , ${\ displaystyle {\ ce {I}}}$ . przy 25°C:

${\ Displaystyle {\ ce {CO3 ^ {2-} {+ H + <=> HCO3 ^ -}}}$ : ${\ Displaystyle \ beta _ {1} = {\ Frac {[{\ tekst {HCO}} _ {3} ^ {-}]} {[{\ tekst {H}} ^ {+} [{\ tekst {CO}} _ {3} ^ {2-}]}}}$

${\ Displaystyle \ log \ beta _ {1} =0,54I^{2}-0,96I+9,93}$ (wybrane dane z bazy SC)

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

${\ Displaystyle {\ ce {CO3 ^ {2-} {+ 2H + <=> H2CO3}}}$ : ${\ Displaystyle \ beta _ {2} = {\ Frac {[{\ tekst {H}} _ {2} {\ tekst {CO}} _ {3}]} {[{\text{H}}^{+}]^{2}[{\text{CO}}_{3}^{2-}]}}}$

${\ Displaystyle \ log \ beta _ {2} = -2,5I ^ {2} -0,043I + 16,07}$

Przy = 0 i 25 ° C wartości pK stopniowych stałych dysocjacji wynoszą ${\ displaystyle {\ ce {I}}}$

pK ₁ = logβ ₂ - logβ ₁ = 6,77.

pK2 = logβ1 ₌ 9,93 _.

Gdy pH = p K, dwa związki chemiczne w równowadze ze sobą mają takie samo stężenie.

Uwaga 1 : W literaturze istnieją najwyraźniej sprzeczne wartości dla _pKa . Sosny i in. przytoczyć wartość dla „pK _app ” wynoszącą 6,35, zgodną z wartością 6,77, o której mowa powyżej. Podają również wartość „pK _a ” równą 3,49 i stwierdzają to

pK _a = pK _app − log K _D (równanie 5)

gdzie Kd ₌ [CO ₂ ]/[H ₂ CO ₃ ]. (równanie 3) Sytuacja wynika ze sposobu nazywania i definiowania stałych dysocjacji, co jest jasno określone w tekście artykułu Pinesa, ale nie w abstrakcie.

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

${\ Displaystyle {\ ce {HCO3- <=> CO3 ^ {2-} {+ H +}}}}$

jest dany przez

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

W roztworach niebiologicznych

Stała równowagi hydratacji w temperaturze 25°C nosi nazwę K _h , która w przypadku kwasu węglowego wynosi [H ₂ CO ₃ ]/[CO ₂ ] ≈ 1,7× ^10-3 w czystej wodzie i ≈ 1,2×10-3 ^w wodzie morskiej . Dlatego większość dwutlenku węgla nie jest przekształcana w kwas węglowy, pozostając w postaci cząsteczek CO ₂ . W przypadku braku katalizatora równowaga jest osiągana dość wolno. Stałe szybkości wynoszą 0,039 s ^-1 dla reakcji w przód i 23 s ^-1 dla reakcji odwrotnej.

W przemyśle napojów gazowana lub „woda gazowana” jest zwykle określana jako woda gazowana . Powstaje poprzez rozpuszczenie dwutlenku węgla w wodzie pod niewielkim nadciśnieniem. Wiele napojów bezalkoholowych traktowanych w ten sam sposób sprawia, że ​​stają się musujące .

Znaczne ilości cząsteczkowego H ₂ CO ₃ występują w roztworach wodnych poddanych ciśnieniu wielu gigapaskali (dziesiątki tysięcy atmosfer), jakie może wystąpić we wnętrzach planet. W rdzeniach dużych lodowych satelitów, takich jak Ganimedes , Kallisto i Tytan , gdzie występuje woda i dwutlenek węgla, osiągane są ciśnienia 0,6–1,6 GPa w temperaturze 100 K i 0,75–1,75 GPa w temperaturze 300 K. Czysty kwas węglowy, będąc gęstszy, zanurzyłby się pod warstwami lodu i oddzieliłby je od skalistych jąder tych księżyców.

W roztworach biologicznych

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

${\ Displaystyle {\ ce {HCO3 ^ - {+} H ^ + <=> CO2 {+} H2O}}}$

Kiedy ilość dwutlenku węgla wytworzonego w wyniku reakcji do przodu przekracza jego rozpuszczalność, wydziela się gaz i następuje trzecia równowaga

${\ Displaystyle {\ ce {CO_2 (soln) <=> CO_2 (g)}}}$

należy również wziąć pod uwagę. Stałą równowagi dla tej reakcji określa prawo Henry'ego . Obie reakcje można połączyć, aby uzyskać równowagę w roztworze.

${\ Displaystyle {\ ce {HCO3 ^ - {+} H ^ {+}< => CO_2 (soln) {+} H2O}} }$ : ${\ Displaystyle {\ ce {K_3 = {\ Frac {[H ^ +] [HCO_3 ^ {-}]} {[CO_2 (soln)]}}}}}$

Kiedy prawo Henry'ego jest używane do obliczania 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 w funkcji pH.

$,$ termin „kwas węglowy” odnosi się do o wzorze , jednak ze względów dwutlenek węgla rozpuszczony w płynie pozakomórkowym jest często określany jako kwas węglowy” w literaturze biochemicznej.

Ponieważ pK _a1 ma wartość ok. 6,8, w stanie równowagi kwas węglowy będzie prawie w 50% zdysocjowany w płynie zewnątrzkomórkowym ( cytozolu ), który ma pH ok. 7.2.

Reakcja, w której jest wytwarzana

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 dość stabilny w temperaturze otoczenia jako gaz. W obecności wody rozkłada się do dwutlenku węgla i wody, co dodatkowo przyspiesza rozkład.

Czysty kwas węglowy jest wytwarzany głównie na dwa sposoby, przez napromienianie protonami czystego stałego dwutlenku węgla lub w reakcji chlorowodoru i wodorowęglanu potasu w temperaturze 100 K w metanolu .

     Wysokociśnieniowa deuterowana wersja kwasu węglowego, tj. D ₂ CO ₃ , została wyprodukowana w hybrydowym ogniwie zaciskowym (stop rosyjski/miedź-beryl) przy 1,85 GPa i scharakteryzowana za pomocą dyfrakcji neutronów . Cząsteczki, które są płaskie, tworzą dimery połączone parami wiązań wodorowych . Wszystkie trzy wiązania CO są prawie w równej odległości przy 1,34 Å. Bardziej typowe odległości CO i C=O wynoszą odpowiednio 1,43 i 1,23 Å. Niezwykłe długości wiązań CO przypisuje się zdelokalizowanemu wiązaniu π w centrum cząsteczki, oprócz niezwykle silnych wiązań wodorowych, na co wskazuje separacja O---O wynosząca 2,13 Å. Krótkość separacji O---O jest częściowo konsekwencją 136° OHO, narzuconego przez podwójnie połączone wiązaniami wodorowymi 8-członowe pierścienie. Dłuższe odległości O---O obserwowane są w silnych, wewnątrzcząsteczkowych wiązaniach wodorowych, np. w kwasie dikarboksylowym , które są większe niż 2,4 Å. Kwas węglowy przygotowany pod ciśnieniem otoczenia nie wykazuje pików Bragga w dyfrakcji rentgenowskiej i dlatego należy go uważać za amorficzny.

Dalsza lektura

• „ Klimat i kwas węglowy ” w miesięczniku Popular Science , tom 59, lipiec 1901
• Welch, MJ; Lifton, JF; Seck, JA (1969). „Badania znaczników z radioaktywnym tlenem-15. Wymiana między dwutlenkiem węgla a wodą”. J. Fiz. chemia 73 (335): 3351. doi : 10.1021/j100844a033 .
•   Jolly, WL (1991). Nowoczesna chemia nieorganiczna (wyd. 2) . Nowy Jork: McGraw-Hill. ISBN 978-0-07-112651-9 .
• Moore, MH; Khanna, R. (1991). „Badania w podczerwieni i widma masowego napromieniowanego protonem H2O + Co2 Lód: Dowody na lód z kwasu węglowego: Dowody na kwas węglowy” . Spectrochimica Acta . 47A (2): 255–262. Bibcode : 1991AcSpA..47..255M . doi : 10.1016/0584-8539(91)80097-3 .
•   W. Hage, KR Liedl; Liedl, E.; Hallbrucker, A; Mayer, E. (1998). „Kwas węglowy w fazie gazowej i jego znaczenie astrofizyczne”. nauka . 279 (5355): 1332–1335. Bibcode : 1998Sci...279.1332H . doi : 10.1126/science.279.5355.1332 . PMID 9478889 .
• Hage, W.; Hallbrucker, A.; Mayer, E. (1995). „Polimorf kwasu węglowego i jego możliwe znaczenie astrofizyczne”. J. Chem. soc. Przekład Faradaya. 91 (17): 2823–2826. Bibcode : 1995JCSFT..91.2823H . doi : 10.1039/ft9959102823 .

Linki zewnętrzne

• Równowaga kwas węglowy/wodorowęglan/węglan w wodzie: pH roztworów, pojemność buforowa, miareczkowanie i dystrybucja gatunków vs. pH obliczone za pomocą darmowego arkusza kalkulacyjnego
• Jak obliczyć stężenie kwasu węglowego w wodzie