Јаглеродна киселина

Јаглеродна киселина — неорганско соединение со хемиска формула . Таа е многу широко распространета во воден раствор, но чистото соединение (безбоен гас) може да се добие на температура од −80 °C. Молекулата брзо се претвора во вода и јаглерод диоксид во присуство на вода, но во отсуство на вода таа е прилично стабилна на собна температура. Меѓусебното претворање на јаглерод диоксидот и јаглеродната киселина е поврзано со дишниот циклус на животните и закиселувањето на водните површини.
Во биохемијата и физиологијата, името „јаглеродна киселина“ се користи за водни раствори на јаглерод диоксид, кои играат важна улога во бикарбонатниот пуферен систем кој ја одржува киселинско-базната рамнотежа.
1 Хемиски рамнотежи
1.1 Вредности на рамнотежната константа
Во воден раствор, јаглеродната киселина се однесува како дијабазна киселина. Бјерумовиот графикон прикажува типични рамнотежни концентрации, во раствор, во морска вода, на јаглерод диоксид и разни видови изведени од него во зависност од pH-вредноста. Закиселувањето на природните води се должи на од зголемената концентрација на јаглерод диоксид во атмосферата, кое пак се предизвикано од согорувањето на големи количества јаглен и јаглеводороди.
Очекуваната промена се однесува на предвиден ефект од постојано закиселување на океаните. Проценето е дека зголеменото присуство на растворен јаглерод диоксид предизвикало намалување на pH-вредноста на морските површини за 0,1 во однос на прединдустриско време.
Базата на рамнотежни константи содржи 136 ставки со вредности за севкупните протонациски константи, β<sub>1</sub> и β<sub>2</sub>, на карбонатниот јон. Во следниве изрази [H<sup>+</sup>] ја означува концентрацијата, рамнотежата, на хемискиот вид H<sup>+</sup> итн.
Вредноста на log β<sub>1</sub> се намалува со зголеманата јонска јачина, I. При 25 °C:
:CO3^{2-} {+ H+} <=> HCO3^- : <math>\beta_1 = \frac{[\text{HCO}_3^-]}{[\text{H}^+][\text{CO}_3^{2-}]}</math>:<math>\log \beta_1 = 0,54 I^2 - 0,96 I + 9,93 </math> (избрани податоци од базата SC)
Вредноста на log β<sub>2</sub> исто ткаа се намалува со зголемената јонска јачина.
:CO3^{2-} {+ 2H+} <=> H2CO3 : <math>\beta_2 = \frac{[\text{H}_2\text{CO}_3]}{[\text{H}^+]^2[\text{CO}_3^{2-}]}</math>:<math>\log \beta_2 = -2,5 I^2 -0,043 I + 16,07</math>
При I=0 и 25 °C, pK-вредностите на константите на постепената дисоцијација се
:pK<sub>1</sub> = logβ<sub>2</sub> - logβ<sub>1</sub> = 6,77.
:pK<sub>2</sub> = logβ<sub>1</sub> = 9,93.
Кога pH = pK, двата хемиски вида во меѓусебна рамнотежа имаат иста концентрација.
Напомена 1: Постои разногласие во лиературата во врска со вредноста на pK<sub>a</sub>. Pines ''et al.'' дава „pK<sub></sub>“ of 6,35, во склад со гореспоменатата вредност 6,77. Ја даваат и вредноста за „pK<sub>a</sub>“ како 3,49 и велат дека
:pK<sub>a</sub> = pK<sub>пфп</sub> − log K<sub>D</sub> ( 5)
where K<sub>D</sub>=[CO<sub>2</sub>]/[H<sub>2</sub>CO<sub>3</sub>]. (рвн. 3)
Ситуацијата настанува поради начинот на именување и дефинирање на константите на дисоцијација, што е јасно кажано во трудот на Pines, но не во извадокот.
Напомена 2: Бројното означување на константите на дисоцијација е обратно од означувањето на константите на асоцијација, па така pK<sub>2</sub> (дисоцијација)= log β<sub>1</sub> (асоцијација). Вредноста на постепената константа за рамнотежата
:HCO3- <=> CO3^{2-} {+ H+}
е дадена со
:pK<sub>1</sub>(дисоцијација)<sub>1</sub> = log β<sub>2</sub> − log β<sub>1</sub> (асоцијација)
1.2 Во небиолошки раствори
Хидрациската рамнотежна константа при 25 °C се нарекува K<sub>h</sub>, која во случај на јаглеродната киселина е [H<sub>2</sub>CO<sub>3</sub>]/[CO<sub>2</sub>] ≈ 1,7×10<sup>−3</sup> во чиста вода, а ≈ 1,2×10<sup>−3</sup> во морска вода. Оттука, најголемиот дел од јаглерод диоксидот не се претвора во јаглеродна киселина, туку останува како молекули на CO<sub>2</sub>. Во отсуство на катализатор, рамнотежата се постигнува прилично бавно. Брзинските константи на реакција се 0,039 s<sup>−1</sup> за напредната и 23 s<sup>−1</sup> за обратната реакција.
Во производството на пијалаци, газираната вода (сода-вода) се прави со растворање на јаглерод диоксид под мал притисок во вода. Тоа важи и за газираните пијалаци.
Постојат значајни количества на молекулски H<sub>2</sub>CO<sub>3</sub> во водни раствори под притисок од повеќе гигапаскали (десетици илјади атмосфери), што се случува во внатрешноста на планетите. Во јадрата на големите ледени месечини како Ганимед, Калиста и Титан кои содржат вода и јаглерод диоксид има притисок од 0,6–1,6 GPa при 100 K и 0,75–1,75 GPa при 300 K. Чистата јаглеродна киселина е погуста, и затоа тоне под ледените слоеви и ги двои од карпестите јадра на овие месечини.
1.3 Во биолошки раствори
Кога ензимот јаглеродна анхидраза е исто така присутен во растворот, предност добива следнава реакција.:HCO3^- {+} H^+ <=> CO2 {+} H2O
Кога количеството на создаден јаглерод диоксид ќе ја надмине растворливоста, тој се развива во гас и треба да се земе предвид трета рамнотежа
:CO_2 (pac) <=> CO_2 (g)
Рамнотежната константа за оваа рекација е определена со Хенриевиот закон. Двете реакции можат да се здружат за рамнотежата во раствор.
:HCO3^- {+} H^{+} <=> CO_2(pac) {+} H2O : K_3 = \frac{[H^+][HCO_3^{-}]}{[CO_2(pac)] }
Кога ќе го примените Хенриевиот закон во пресметувањето на вредноста на членот во именителот треба да се внимава на димензионалноста.
Во физиологијата, јаглерод диоксидот што го испуштаат белите дробови може да се нарече ''испарлива киселина'' или ''дишна киселина''.
2 Употреба на поимот јаглеродна киселина
Во строга смисла, поимот „јаглеродна киселина“ се однесува на хемиското соединение со формула H2CO3. Но сепак, во биохемиската литература растворениот јаглерод диоксид во вонклеточна течност се нарекува „јаглеродна киселина“ од историски причини.
Бидејќи pK<sub>a1</sub> има приближна вредност од 6,8, јаглеродната киселина во рамнотежа ќе биде речиси 50 % дисоцирана во вонклеточната течност (цитозол), која има pH од околу 7,2.
Реакцијата со која таа се добива
:HCO<sub>3</sub><sup>−</sup> + H<sup>+</sup> CO<sub>2</sub> + H<sub>2</sub>O
е брза во биолошките системи. Јаглерод диоксидот може да се опише како ''анхидрид'' на јаглеродната киселина.
3 Чиста јаглеродна киселина
Јаглеродната киселина, H<sub>2</sub>CO<sub>3</sub>, е прилично стабилна на амбиентна температира како гас. Во прируство на вода се разложува, образувајќи јаглерод диоксид и вода, што уште повеќе го забрзува разложувањето.
Чистата јаглеродна киселина се добива на два начина: протонско озрачување на чист цврст јаглерод диоксид или со реакција на хлороводород и калиум бикарбонат на 100 K во метанол.
Добиена е високопритисочна деутерирана верзија на јаглеродната киселина, D<sub>2</sub>CO<sub>3</sub>, во хибридна стегната ќелија (руска легура/бакар-берилиум) при 1,85 GPa и се одликува со неутронско расејување. Молекулите, кои се рамнински, образуваат димери поврзани со парови од водородни врски. Сите три врски C-O се речиси еднакво оддалечени на 1,34Å. Потипични растојанија на C-O и C=O се 1,43 и 1,23 Å. Вообичаените должини на врските C-O му се припишуваат на делокализираното π-сврзување во молекулското средиште, покрај извонредно силние водородни врски, што се гледа од раздвоеноста на O---O од 2,13Å. Краткоста на оваа раздвоеност делумно е последица на 136° O-H-O, наметнати врз двојно водородно врзаните осумчлени прстени. Подолгите растојанија на O---O се забележуваат во силни внатремолекулски водородни врски, како на пр. во дикарбоксилната киселина, кои изнесуваат над 2,4Å. Јаглеродната киселина добиена при амбиентен притисок не покажува Брегови зашилувања во рендгенското скршување и затоа мора да се смета за аморфна.