Kolsyra - Carbonic acid

För att inte förväxla med karbolsyra .

Strukturformel
Ball-and-stick-modell
Namn
IUPAC -namn
Kolsyra
Andra namn
Hydroxyforminsyra
Hydroximetansyra
Dihydroxikarbonyl
Identifierare
3D -modell ( JSmol )
ChEBI
CHEMBL
ChemSpider
DrugBank
ECHA InfoCard 100.133.015 Redigera detta på Wikidata
EG -nummer
25554
KEGG
  • InChI = 1S/CH2O3/c2-1 (3) 4/h (H2,2,3,4) kontrolleraY
    Nyckel: BVKZGUZCCUSVTD-UHFFFAOYSA-N kontrolleraY
  • InChI = 1/H2O3/c2-1 (3) 4/h (H2,2,3,4)
    Nyckel: BVKZGUZCCUSVTD-UHFFFAOYAU
  • O = C (O) O
Egenskaper
H 2 CO 3
Smältpunkt −80 ° C (−112 ° F; 193 K) (sönderdelas)
Konjugerad bas Bikarbonat , karbonat
Om inte annat anges, ges data för material i deras standardtillstånd (vid 25 ° C [77 ° F], 100 kPa).
kontrolleraY verifiera  ( vad är   ?) kontrolleraY☒N
Infobox -referenser

Inom kemi är kolsyra en dibasinsyra med den kemiska formeln H 2 CO 3. Den rena föreningen sönderdelas vid temperaturer högre än ca. −80 ° C.

Inom biokemin används namnet "kolsyra" ofta på vattenhaltiga lösningar av koldioxid , som spelar en viktig roll i bikarbonatbuffertsystemet , som används för att upprätthålla syrabas homeostas .

Kemisk jämvikt

Jämvikts konstanta värden

Bjerrum -tomt för karbonatspeciering i havsvatten (jonstyrka 0,7 mol dm −3 )

I vattenlösning fungerar kolsyra som en dibasinsyra. De Bjerrum plot visar typiska jämviktskoncentrationer, i lösning, i havsvatten , av koldioxid och de olika arterna som härrör från den, som en funktion av pH. Försurningen av naturvatten orsakas av den ökande koncentrationen av koldioxid i atmosfären, som orsakas av att allt fler kol och kolväten förbränns .

Förväntad förändring avser förutsagd effekt av fortsatt havsförsurning . Det har uppskattats att ökningen av upplöst koldioxid har fått havets genomsnittliga yt-pH att minska med cirka 0,1 från förindustriella nivåer.

Den stabilitetskonstanter Databasen innehåller 136 poster med värden för de totala protoneringskonstanter, p 1 och p 2 , av karbonatjonen. I följande uttryck representerar [H + ] koncentrationen vid jämvikt av den kemiska arten H + , etc.

Värdet av log P 1 minskar med ökande jonstyrka , . Vid 25 ° C:

 :
(utvalda data från SC-databasen)

Värdet av log β 2 minskar också med ökande jonstyrka.

 :

Vid = 0 och 25 ° C är pK -värdena för de stegvisa dissociationskonstanterna

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

När pH = pK har de två kemiska arterna i jämvikt med varandra samma koncentration.

Not 1 : Det finns tydligen motstridiga värden i litteraturen för pK a . Pines et al. citera ett värde för "pK app " på 6,35, förenligt med värdet 6,77, som nämns ovan. De ger också ett värde för "pK a " på 3,49 och anger att

pK a = pK app - logg K D (ekv. 5)

där K D = [CO 2 ]/[H 2 CO 3 ]. (ekv. 3) Situationen härrör från det sätt på vilket dissociationskonstanterna namnges och definieras, vilket tydligt framgår av texten i Pines -papperet, men inte i det abstrakta.

Anmärkning 2 : Numreringen av dissociationskonstanter är motsatsen till numreringen av associeringskonstanternas nummerering , så pK 2 (dissociation) = log β 1 (association). Värdet för den stegvisa konstanten för jämvikten

ges av

pK 1 (dissociation) 1 = log β 2 - log β 1 (association)

I icke-biologiska lösningar

Den hydratisering jämviktskonstanten vid 25 ° C kallas K h , vilket i fallet av kolsyra är [H 2 CO 3 ] / [CO 2 ] ≈ 1,7 x 10 -3 i rent vatten och ≈ 1,2 x 10 -3 i havsvatten . Därför omvandlas majoriteten av koldioxiden inte till kolsyra, kvar som CO 2 -molekyler. I avsaknad av en katalysator uppnås jämvikten ganska långsamt. De hastighetskonstanter är 0,039 s -1 för den framåtriktade reaktionen och 23 s -1 för den omvända reaktionen.

I naturen kan kalksten reagera med regnvatten och bilda en lösning av kalciumbikarbonat ; avdunstning av en sådan lösning kommer att resultera i återbildning av fast kalciumkarbonat. Dessa processer sker vid bildandet av stalaktiter och stalagmiter .

I biologiska lösningar

När enzymet kolsyraanhydras också finns i lösningen har följande reaktion företräde.

När mängden koldioxid som skapas av framåtreaktionen överstiger dess löslighet, utvecklas gas och en tredje jämvikt

måste också beaktas. Jämviktskonstanten för denna reaktion definieras av Henrys lag . De två reaktionerna kan kombineras för jämvikt i lösning.

 :   

När Henrys lag används för att beräkna värdet av termen i nämnaren behövs vård med avseende på dimensionalitet.

Inom fysiologin kan koldioxid som utsöndras av lungorna kallas flyktig syra eller andningssyra .

Användning av termen kolsyra

Speciering för en monoprotinsyra, AH som en funktion av pH.

Strängt taget hänvisar termen "kolsyra" till den kemiska föreningen med formeln .

Eftersom pK a1 har ett värde av ca. 6.8, vid jämvikt kommer kolsyra att vara nästan 50% dissocierad i den extracellulära vätskan ( cytosol ) som har ett pH av ca.7.2. Observera att upplöst koldioxid i extracellulär vätska ofta kallas "kolsyra" i biokemisk litteratur, av historiska skäl. Reaktionen i vilken den produceras

HCO 3 - + H + ⇌ CO 2 + H 2 O

är snabb i biologiska system. Koldioxid kan beskrivas som anhydriden av kolsyra.

Ren kolsyra

Kolsyra, H 2 CO 3 , är stabil vid omgivningstemperaturer under strikt vattenfria förhållanden. Det sönderdelas för att bilda koldioxid i närvaro av vattenmolekyler.

Kolsyra bildas som en biprodukt av CO 2 / H 2 O bestrålning, förutom kolmonoxid och radikala arter (HCO och CO 3 ). En annan väg att bilda kolsyra är protonering av bikarbonater (HCO 3 - ) med vattenhaltig HCl eller HBr. Detta måste göras vid kryogena förhållanden för att undvika omedelbar sönderdelning av H 2 CO 3 till CO 2 och H 2 O. Amorf H 2 CO 3 former ovanför 120 K, och kristallisation äger rum över 200 K för att ge "β-H 2 CO 3 ", bestämt med infraröd spektroskopi . Spektrumet av β-H 2 CO 3 stämmer väl med biprodukten efter CO 2 / H 2 O bestrålning. β-H 2 CO 3 sublimerar vid 230–260 K i stort sett utan sönderdelning. Matris-isolering infared spektroskopi tillåter registrering av enstaka molekyler av H 2 CO 3 .

Det faktum att kolsyra kan bilda genom bestrålning av en fast substans H 2 O + CO 2 blandning eller till och med genom proton-implantation av torris ensam har gett upphov till förslag att H 2 CO 3 kan finnas i yttre rymden eller på Mars , där frysta ices av H 2 O och CO 2 påträffas, samt kosmisk strålning . Den överraskande stabiliteten hos sublimerad H 2 CO 3 upp till ganska höga-temperaturer av 260 K gör att även för gas-fas-H 2 CO 3 , t ex över polsk mössor av Mars. Ab initio- beräkningar visade att en enda molekyl vatten katalyserar sönderdelningen av en gasfas kolsyramolekyl till koldioxid och vatten. I avsaknad av vatten förutspås dissociationen av gasformig kolsyra vara mycket långsam, med en halveringstid i gasfasen på 180 000 år vid 300 K. Detta gäller bara om molekylerna är få och långt ifrån varandra, eftersom det har också förutsetts att gasfas-kolsyra kommer att katalysera sin egen sönderdelning genom att bilda dimerer , som sedan bryts isär i två molekyler vardera av vatten och koldioxid.

Fast "a-kolsyra" påstods ha genererats genom en kryogen reaktion av kaliumvätekarbonat och en lösning av HCl i metanol . Denna begäran ifrågasatts i en doktorsavhandling fram i januari 2014. I stället isotopmärkningsexperiment pekar på inblandning av kolsyra monometylester (KOM). Vidare sublimerade fasta ämnet föreslagits att innehålla CAME monomerer och dimerer, inte är H 2 CO 3 monomerer och dimerer såsom tidigare hävdat. Efterföljande matrisisolering infraröda spektra bekräftade att CAME snarare än kolsyra finns i gasfasen ovanför "a-kolsyra". Tilldelningen som CAME bekräftas ytterligare genom matrisisolering av ämnet framställt i gasfas genom pyrolys.

Trots sin komplicerade historia kan kolsyra fortfarande framstå som distinkta polymorfer . Kolsyra bildas vid oxidering av CO med OH-radikaler. Det är inte klart om kolsyra framställd på detta sätt måste betraktas som γ-H 2 CO 3 . Strukturerna för β-H 2 CO 3 och γ-H 2 CO 3 har inte karaktäriserats kristallografiskt.

Vid högt tryck

Även om molekyler av H 2 CO 3 inte utgör en betydande del av det upplösta kolet i vattenhaltig "kolsyra" under omgivande förhållanden, signifikanta mängder av molekyl H 2 CO 3 kan existera i vattenhaltiga lösningar utsatta för tryck av flera gigapascal (tiotusentals av atmosfärer), som kan förekomma i planetariska interiörer.

Kolsyra bör stabiliseras under tryck på 0,6–1,6  GPa vid 100  K och 0,75–1,75 GPa vid 300 K. Dessa tryck uppnås i kärnorna på stora isiga satelliter som Ganymede , Callisto och Titan , där vatten och koldioxid är närvarande. Ren kolsyra, som är tätare, skulle sedan sjunka under islagren och skilja dem från de steniga kärnorna på dessa månar.

Referenser

Vidare läsning

externa länkar