Hiilihappo

Kokeneet kirjoittajat eivät ole vielä tarkistaneet sivun nykyistä versiota, ja se voi poiketa merkittävästi 24. huhtikuuta 2021 tarkistetusta versiosta . vahvistus vaatii 31 muokkausta .

Hiilihappo

Systemaattinen nimi	Hiilihappo
Kemiallinen kaava	H2CO3 _ _ _
Ulkomuoto	väritön liuos
Ominaisuudet
Moolimassa	62,025 g / mol
Sulamislämpötila	?
Kiehumislämpötila	?
Sublimaatiolämpötila	?
Hajoamislämpötila	?
Lasittumislämpötila	?
Tiheys	1,668 g/cm³
Dissosiaatiovakio p K a	todellinen: 1) 3,60; 2) 10,33 näennäinen [1] : 6,37
Liukoisuus veteen	0,21 [1] g/100 ml
Termodynaamiset ominaisuudet
Normaali muodostumisenalpia	-700 kJ/mol
Normaali molaarinen entropia	+187 J/(K mol)
Gibbsin standardi muodostumisenergia	-623 kJ/mol
Luokitus
CAS-rekisteröintinumero	463-79-6
PubChem	463-79-6
Koodi SMILES	C(=O)(O)O
Turvallisuus
GHS-varoitusmerkit
NFPA 704	0 0 yksi
Jos ei ole ilmoitettu, tiedot on annettu standardiolosuhteissa (25 °C, 100 kPa).

Hiilihappo ( kemiallinen kaava - H2CO3 ) on heikko kemiallinen epäorgaaninen happo . Sitä muodostuu pieniä määriä, kun hiilidioksidia liukenee veteen [1] , mukaan lukien ilmasta tuleva hiilidioksidi .

Normaaleissa olosuhteissa hiilihappo on epävakaa ja hajoaa hiilidioksidiksi ja vedeksi. Se muodostaa useita pysyviä epäorgaanisia ja orgaanisia johdannaisia: suoloja ( karbonaatteja ja hiilikarbonaatteja ), estereitä , amideja jne.

Fysikaaliset ominaisuudet

Hiilihappoa esiintyy vesiliuoksissa tasapainossa hiilidioksidin kanssa , ja normaaleissa olosuhteissa tasapaino on siirtynyt voimakkaasti kohti happohajoamista.

Hiilihappomolekyylillä on tasomainen rakenne. Keskihiiliatomilla on sp 2 - hybridisaatio . Bikarbonaatti- ja karbonaattianioneissa π - sidos on siirretty . C-O-sidoksen pituus karbonaatti-ionissa on 130 pm.

Vedetön hiilihappo on värittömiä kiteitä, stabiileja matalissa lämpötiloissa, sublimoituu -30 °C:ssa ja hajoaa täysin lisäkuumentaessaan. Itävaltalaiset kemistit tutkivat puhtaan hiilihapon käyttäytymistä kaasufaasissa vuonna 2011 [2] .

Kemialliset ominaisuudet

Tasapaino vesiliuoksissa ja happamuus

Hiilihappoa esiintyy vesiliuoksissa tasapainossa hiilidioksidihydraatin kanssa : _

{\mathsf {CO_{2}\cdot H_{2}O_{{(p)}}\rightleftarrows H_{2}CO_{{3(p)))))

, tasapainovakio 25 °C:ssa

K_{p}={\frac {\mathsf {[H_{2}CO_{3}]}}{\mathsf {[CO_{2}\cdot H_{2}O]}}}=1{ ,}70\cdot 10^{-3}

Eteenpäin suuntautuvan reaktion nopeus on 0,039 s −1 , käänteisen reaktion nopeus on 23 s −1 .

Liuennut hiilidioksidihydraatti puolestaan on tasapainossa kaasumaisen hiilidioksidin kanssa:

{\mathsf {CO_{2}\cdot H_{2}O_{{(p)}}\rightleftarrows CO_{2}\uparrow +\ H_{2}O}}

Tämä tasapaino siirtyy oikealle lämpötilan noustessa ja vasemmalle paineen noustessa (katso lisätietoja kohdasta Kaasun absorptio ).

Hiilihappo käy läpi palautuvan hydrolyysin , mikä luo happaman ympäristön:

{\mathsf {H_{2}CO_{3}+\ H_{2}O\rightleftarrows HCO_{3}^{-}+\ H_{3}O^{+))}

, happamuusvakio 25 °C:ssa

K_{a1}={\frac {\mathsf {[HCO_{3}^{-}]\cdot [H_{3}O^{+}]}}{\mathsf {[H_{2}CO_ {3}]}}}=2{,}5\cdot 10^{-4}

Käytännön laskelmissa käytetään kuitenkin usein näennäistä happamuusvakiota, joka ottaa huomioon hiilihapon tasapainon hiilidioksidihydraatin kanssa:

K_{a}'={\frac {\mathsf {[HCO_{3}^{-}]\cdot [H_{3}O^{+}]}}{\mathsf {[CO_{2} \cdot H_{2}O]}}}=4{,}27\cdot 10^{-7}

Bikarbonaatti -ioni hydrolysoituu edelleen reaktion seurauksena

{\mathsf {HCO_{3}^{-}+\ H_{2}O\rightleftarrows CO_{3}^{{2-}}+\ H_{3}O^{+}}}

, happamuusvakio 25 °C:ssa

K_{a2}={\frac {\mathsf {[CO_{3}^{2-}]\cdot [H_{3}O^{+}]}}{\mathsf {[HCO_{3} ^{-}]}}}=4{,}68\cdot 10^{-11}

Siten hiilihappoa sisältävissä liuoksissa syntyy monimutkainen tasapainojärjestelmä, joka voidaan esittää yleisellä tasolla seuraavasti:

{\mathsf {CO_{2}{\stackrel {H_{2}O}{\rightleftarrows }}CO_{2}\cdot H_{2}O\rightleftarrows H_{2}CO_{3}{\stackrel {-H^{+}}{\rightleftarrows }}HCO_{3}^{-}{\stackrel {-H^{+}}{\rightleftarrows }}CO_{3}^{2-}(*)} }

pH-arvon arvo tällaisessa järjestelmässä, joka vastaa kyllästettyä hiilidioksidiliuosta vedessä 25 °C:ssa ja 760 mm Hg:n paineessa. Taide. , voidaan laskea kaavalla:

{\mathsf {pH=-lg\left({\frac {-K_{a}'+{\sqrt {(K_{a}')^{2}+4K_{a}'C_{0} }}}{2}}\right)=3{,}9}}

, jossa C₀ \u003d 0,034 mol/l on C02 : n liukoisuus veteen osoitetuissa olosuhteissa.

Hajoaminen

Liuoksen lämpötilan noustessa ja/tai hiilidioksidin osapaineen laskussa tasapaino siirtyy kohti hiilihapon hajoamista vedeksi ja hiilidioksidiksi. Kun liuos kiehuu, hiilihappo hajoaa kokonaan:

{\mathsf {H_{2}CO_{3}\longrightarrow H_{2}O+CO_{2}\uparrow ))

Vuorovaikutus emästen ja suolojen kanssa

Hiilihappo tulee neutralointireaktioihin emäsliuosten kanssa muodostaen väliaineita ja happamia suoloja - karbonaatteja ja bikarbonaatteja , vastaavasti:

{\mathsf {H_{2}CO_{3}+2NaOH))

(tiivis.)

{\mathsf {\longrightarrow Na_{2}CO_{3}+2H_{2}O))

{\mathsf {H_{2}CO_{3}+NaOH))

(razb.)

{\mathsf {\longrightarrow NaHCO_{3}+H_{2}O))

{\mathsf {H_{2}CO_{3}+\ Ca(OH)_{2}\longrightarrow CaCO_{3}\downarrow +\ 2H_{2}O))

{\mathsf {H_{2}CO_{3}+\ NH_{3}\cdot H_{2}O\longrightarrow NH_{4}HCO_{3}+H_{2}O))

Kun hiilihappo reagoi karbonaattien kanssa, muodostuu hiilivetyjä:

{\displaystyle {\mathsf {H_{2}CO_{3}+Na_{2}CO_{3}\longrightarrow 2NaHCO_{3))))

{\mathsf {H_{2}CO_{3}+\ CaCO_{3}\longrightarrow Ca(HCO_{3})_{2))}

Haetaan

Hiilihappoa muodostuu, kun hiilidioksidia liukenee veteen :

{\mathsf {CO_{2}+H_{2}O\rightleftarrows CO_{2}\cdot H_{2}O\rightleftarrows H_{2}CO_{3))}

Liuoksen hiilihapon pitoisuus kasvaa, kun liuoksen lämpötila laskee ja hiilidioksidin paine kasvaa.

Myös hiilihappoa muodostuu sen suolojen (karbonaattien ja bikarbonaattien) vuorovaikutuksessa vahvemman hapon kanssa. Tässä tapauksessa suurin osa muodostuneesta hiilihaposta hajoaa yleensä vedeksi ja hiilidioksidiksi:

{\displaystyle {\mathsf {Na_{2}CO_{3}+2HCl\longrightarrow 2NaCl+H_{2}CO_{3))))

{\mathsf {H_{2}CO_{3}\rightarrow H_{2}O+CO_{2}\uparrow ))

Sovellus

Hiilihappoa on aina läsnä hiilidioksidin vesiliuoksissa (katso " Hiilihappovesi ").

Biokemiassa tasapainojärjestelmän ominaisuutta käytetään muuttamaan kaasun painetta suhteessa oksoniumionipitoisuuden (happamuuden) muutokseen vakiolämpötilassa. Tämän avulla voit rekisteröidä reaaliajassa entsymaattisten reaktioiden kulkua, kun liuoksen pH muuttuu . Käytetään myös kylmäaineiden, aurinkogeneraattoreiden ja pakastimien valmistukseen.

Orgaaniset johdannaiset

Hiilihappoa voidaan muodollisesti pitää karboksyylihappona, jossa on hydroksyyliryhmä hiilivetyjäännöksen sijaan. Sellaisenaan se voi muodostaa kaikkia karboksyylihapoille ominaisia johdannaisia [3] .

Jotkut tällaisten yhdisteiden edustajat on lueteltu taulukossa.

Yhteysluokka	Kytkentäesimerkki
Esterit	polykarbonaatit
Happokloridit	fosgeeni
amidit	urea
Nitriilit	syaanihappo
Anhydridit	pyrohiilihappo

Muistiinpanot

↑ 1 2 3 Vesiliuoksessa suurin osa hiilihaposta muuttuu reversiibelisti hiilidioksidihydraatiksi reaktiolla H 2 CO 3 ⇄ CO 2 H 2 O
↑ Kansainvälinen ensin: Kaasufaasinen hiilihappo eristetty
↑ Neiland O. Ya. Organic Chemistry . - M . : Korkeakoulu, 1990. - S. 640 -652. — 751 s. — ISBN 5-06-001471-1 .

Kirjallisuus

Lidin R. A., Molochko V. A., Andreeva L. L. Epäorgaanisten aineiden reaktiot: hakuteos / Toim. R. A. Lidina. - 2. painos, tarkistettu. ja ylimääräistä - M . : Bustard, 2007. - 637 s. - ISBN 978-5-358-01303-2 .
Lidin R.A., Andreeva L.L., Molochko V.A. Epäorgaanisten aineiden vakiot: hakuteos / Toim. R. A. Lidina. - 2. painos, tarkistettu. ja ylimääräistä — M .: Drofa, 2006. — 685 s. — ISBN 5-7107-8085-5 .

Hiilen oksidit
Tavallisia oksideja	CO2_ _ CO
Eksoottiset oksidit	C2O2 _ _ _ C2O3 _ _ _ C2O4 _ _ _ C3O2 _ _ _ C4O2 _ _ _ C4O6 _ _ _ C5O2 _ _ _ C2O _ _ CO3_ _ CO4_ _ C12O9 _ _ _ C12O12 _ _ _
Polymeerit	grafiittioksidi C3O2 _ _ _ CO CO2_ _
Hiilioksidien johdannaiset	Metallikarbonyylit Hiilihappo Bikarbonaatit Karbonaatit Dikarbonaatit Trikarbonaatit