炭酸

炭酸
名前
	IUPAC名炭酸
	その他の名前オキシドカルボン酸; ヒドロキシギ酸; ヒドロキシメタン酸; カルボニル酸; ヒドロキシカルボン酸; ジヒドロキシカルボニル; 二酸化炭素溶液; 空中酸; メタ炭酸;
識別子
CAS番号	463-79-6 ;
3Dモデル（JSmol）	インタラクティブ画像;
チェビ	チェビ:28976 ;
チェムBL	番号: ;
ケムスパイダー	747 ;
ドラッグバンク	DB14531;
ECHA 情報カード	100.133.015
EC番号	610-295-3;
グメリン参照	25554
ケッグ	C01353 ;
パブケム CID	767;
ユニ	142M471B3J ;
CompTox ダッシュボード ( EPA )	DTXSID9043801;
	InChI InChI=1S/CH2O3/c2-1(3)4/h(H2,2,3,4) キー: BVKZGUZCCUSVTD-UHFFFAOYSA-N ; InChI=1/H2O3/c2-1(3)4/h(H2,2,3,4) キー: BVKZGUZCCUSVTD-UHFFFAOYAU;
	笑顔 O=C(O)O;
プロパティ
化学式	H; 2CO; 3
外観	無色のガス
融点	−53 °C (−63 °F; 220 K) (昇華)
沸点	127 °C (261 °F; 400 K) (分解)
水への溶解度	反応して二酸化炭素と水を形成する
酸性度（p Ka）	p K a1 = 3.75 (25 °C;無水) ; p K a1 = 6.35（含水）; pK a2 = 10.33 [ ;
共役塩基	重炭酸塩、炭酸塩
危険
NFPA 704 (ファイアダイヤモンド)	0 0 1
構造
結晶構造	単斜晶系
空間群	p21/c、No.14
点群	-
格子定数	a = 5.392 Å、b = 6.661 Å、c = 5.690 Å α = 90°、β = 92.66°、γ = 90° （D; 2CO; 31.85 GPa、298 Kで
格子体積（V）	204.12 Å 3
数式単位( Z )	セルあたり 4 つの数式
	特に記載がない限り、データは標準状態（25 °C [77 °F]、100 kPa）の材料に関するものです。確認する（何ですか？）インフォボックス参照

炭酸は化学式H ₂C O ₃の化合物です。分子は水の存在下では急速に水と二酸化炭素に変換されます。しかし、水がない場合、室温では非常に安定しています。^[5]^{[6]二酸化炭素と炭酸の相互変換は、動物の呼吸サイクルと}天然水の酸性化に関連しています。^[4]

生化学と生理学では、「炭酸」という名前は二酸化炭素の水溶液に適用されることがあります。これらの化学種は、酸塩基の恒常性を維持するために使用される重炭酸塩緩衝システムで重要な役割を果たします。^[7]

生化学文献の用語

化学において、「炭酸」という用語は、厳密には化学式Hで表される化合物を指します。
₂CO
₃一部の生化学文献では、細胞外液に溶解した炭酸と二酸化炭素の区別が曖昧になっています。

生理学では、肺から排出される二酸化炭素は揮発酸または呼吸酸と呼ばれることがあります。

無水炭酸

常温では、純粋な炭酸は安定した気体である。^[6]無水炭酸を生成する主な方法は2つある。メタノール中100 Kで塩化水素と重炭酸カリウムを反応させる方法と、純粋な固体二酸化炭素に陽子を照射する方法である。^{[3]化学的には、}二価のブレンステッド酸として挙動する。^[8]^[9]

炭酸モノマーはシス-シス、シス-トランス、トランス-トランスの3つの配座異性体を示す。 ^[10]

低温・大気圧下では、固体炭酸は非晶質であり、 X線回折ではブラッグピークを示さない。^[11]しかし、高圧下では炭酸は結晶化し、現代の分析分光法でその形状を測定できる。

二重水素化炭酸（D
₂CO
₃) をハイブリッドクランプセル (ロシア合金/銅ベリリウム) で 1.85 GPa で調べたところ、分子は平面で、一対の水素結合でつながった二量体を形成している。3 つのCO 結合はすべて 1.34 Åでほぼ等距離であり、一般的な CO 距離と C=O 距離 (それぞれ 1.43 Å と 1.23 Å) の中間である。異常な CO 結合長は、分子の中心で非局在化したπ 結合と非常に強い水素結合によるものである。同じ効果により、二重水素結合した 8 員環によって課せられる136° OHO角によって、非常に短い O—O 分離 (2.13 Å) も誘発される。 ^{[4]より長い O—O 距離は、例えば}シュウ酸などの強い分子内水素結合で観察され、距離は 2.4 Å を超える。^[11]

水溶液中

炭酸は、たとえわずかな水が存在するだけでも、二酸化炭素と水に脱水され、それがさらに分解を触媒します。^[6]このため、二酸化炭素は炭酸無水物と考えることができます。

25℃における水和平衡定数は[ H
₂CO
₃]/[CO2 _] ≈ 1.7×10 ⁻³純水中では^{[12] 、}海水中では≈1.2×10 ^−3です^[13]。したがって、地球物理学的または生物学的空気-水界面にある二酸化炭素の大部分は炭酸に変換されず、溶解したCO ₂ガスのままになります。ただし、無触媒平衡に達するのは非常に遅く、速度定数は水和で0.039 s ⁻¹、脱水で23 s ⁻¹です。

生物学的ソリューション

炭酸脱水酵素が存在すると、代わりに急速に平衡に達し、次の反応が優先されます。^[14] ${\ce {HCO3^- {+}H^+ <=> CO2 {+}H2O}}$

生成された二酸化炭素が溶解度を超えるとガスが発生し、3 番目の平衡も考慮する必要があります。この反応の平衡定数はヘンリーの法則によって定義されます。 ${\ce {CO_2 (溶液) <=> CO_2 (g)}}$

2つの反応を組み合わせると、溶液中の平衡が得られます。ヘンリーの法則を使用して分母を計算する場合、ヘンリーの法則定数は一般に8つの異なる次元で表現できるため、単位には注意が必要です。^[15] ${\begin{aligned}{\ce {HCO3^{-}{}+ H+{}</=> CO2(soln){}+ H2O}}&&K_{3}={\frac {[{\ce {H+}}][{\ce {HCO3^-}}]}{[{\ce {CO2(soln)}}]}}\end{aligned}}$

水中のpH制御

廃水処理や農業灌漑では、硫黄バーナーで生成される硫酸や亜硫酸と同様に、炭酸が水を酸性化するために使用されています。 ^[16]

高CO下では₂分圧

飲料業界では、スパークリングウォーターまたは「発泡水」は通常、炭酸水と呼ばれます。これは、小さな正圧下で二酸化炭素を水に溶解することによって作られます。多くのソフトドリンクは、同じ方法で処理されて発泡します。

相当量の分子状H
₂CO
₃惑星内部では、数ギガパスカル（数万気圧）の圧力を受ける水溶液中に存在している。 ^[17]^[18]ガニメデ、カリスト、タイタンなどの大きな氷衛星の中心核では、水と二酸化炭素が存在し、 100 Kで0.6～1.6 GPa 、300 Kで0.75～1.75 GPaの圧力が達成されている。純粋な炭酸は密度が高いため、これらの衛星の氷層の下に沈み、氷層を岩石の中心核から分離していると考えられる。^[19]

重炭酸塩と炭酸塩との関係

炭酸は重炭酸イオンの正式なブレンステッド・ローリー共役酸であり、アルカリ溶液中で安定である。プロトン化定数は高い精度で測定されているが、総イオン強度 $I$ に依存する。最も簡単に測定できる 2 つの平衡は次のとおりである:ここで、括弧は種の濃度を示す。25 °C では、これらの平衡は経験的に次式を満たす^[20] $log($ $β$ $1$ $)は$ $I$ の増加とともに減少し、 $log($ $β$ $2$ $)$ も同様に減少する。他のイオンが存在しない溶液 (例: $I$ $= 0$ ) では、これらの曲線から次の段階的な解離定数が導かれる:文献に記載されているこれらの定数の直接値には、 $p$ $K$ $1$ $= 6.35$ および $p$ $K$ $2$ $-$ $p$ $K$ $1$ $= 3.49$ がある。^[21] ${\begin{aligned}{\ce {CO3^{2-}{}+ H+{}<=> HCO3^-}}&&\beta _{1}={\frac {[{\ce { HCO3^-}}]}{[{\ce {H+}}][{\ce {CO3^{2-}}}]}}\\{\ce {CO3^{2-}{}+ 2H+{}<=> H2CO3}}&&\beta _{2}={\frac {[{\ce {H2CO3}}]}{[{\ce {H+}}]^{2}[{\ce { CO3^{2-}}}]}}\end{整列}}$ ${\begin{alignedat}{6}\log(\beta _{1})=&&0&.54&I^{2}-0&.96&I+&&9&.93\\\log(\beta _{2})=&&-2&.5&I^{2}-0&.043&I+&&16&.07\end{alignedat}}$ ${\begin{alignedat}{3}p{\text{K}}_{1}&=\log(\beta _{2})-\log(\beta _{1})&=6.77\\p{\text{K}}_{2}&=\log(\beta _{1})&=9.93\end{alignedat}}$

これらの数値を解釈するには、酸平衡にある 2 つの化学種が $p$ $K =$ $p$ $H の$ ときに等濃度になることに注意してください。特に、生物システムの細胞外液(細胞質) は $p$ $H \approx 7.2 を$ 示すため、炭酸は平衡時にほぼ 50% 解離します。

海洋酸性化

ビェラムプロットは、海水中の二酸化炭素とそこから生成される様々な種の溶液中の典型的な平衡濃度をpHの関数として示しています。^[8]^[9]人間の工業化により地球の大気中の二酸化炭素の割合が増加したため、海水と淡水に炭酸として溶解した二酸化炭素の割合も増加すると予想されます。この溶解酸の増加により、それらの水が酸性化し、pHが低下することも予想されます。^[22]^[23]溶解二酸化炭素の増加により、海洋の平均表面 pH が産業革命前のレベルから約 0.1 低下したと推定されています。

さらに読む

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外部リンク

水中の炭酸/重炭酸/炭酸塩平衡: 溶液の pH、緩衝能、滴定、pH に対する種の分布を無料のスプレッドシートで計算
水中の炭酸濃度を計算する方法

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