Введение

Химическое соединение

Углекислота — это химическое соединение с химической формулой H2CO3. Молекула быстро превращается в воду и углекислый газ в присутствии воды. Однако, в отсутствие воды, она (вопреки распространенному мнению) достаточно стабильна при комнатной температуре. Взаимопревращение углекислого газа и угольной кислоты связано с дыхательным циклом животных и подкислением природных вод.

Терминология в биохимической литературе

В химии термин "углекислота" строго относится к химическому соединению с формулой. В некоторых биохимических источниках различие между углекислотой и углекислым газом, растворенным во внеклеточной жидкости, стирается. В физиологии углекислый газ, выдыхаемый легкими, может называться летучей или респираторной кислотой.

Безводная углекислота

При температуре окружающей среды чистая углекислота является стабильным газом. При низких температурах и атмосферном давлении твердая углекислота аморфна и не имеет пиков Брэгга в рентгенодифракционном анализе. Но при высоком давлении углекислота кристаллизуется, и современная аналитическая спектроскопия позволяет измерить ее геометрию. Согласно данным нейтронной дифракции дидеутерированной углекислоты в гибридной ячейке с фиксированным положением (русский сплав / медь-бериллий) при 1,85 ГПа, молекулы плоские и образуют димеры, соединенные парами водородных связей. Все три связи C–O почти равноценны по длине – 1,34 Å, что является промежуточным значением между типичными длинами связей C–O и C=O (соответственно 1,43 и 1,23 Å). Необычные длины связей C–O объясняются делокализованной π-связью в центре молекулы и исключительно сильными водородными связями. Те же эффекты также приводят к очень короткому расстоянию между атомами кислорода (2,13 Å) из-за угла O–H–O в 136°, обусловленного наличием восьмичленных колец, связанных двойными водородными связями. Концентрация составляет ≈ 1,2×10−3 в морской воде. Таким образом, большая часть углекислого газа на геофизических или биологических границах раздела воздух-вода не превращается в углекислоту, оставаясь в растворенном состоянии в виде газа. Однако некатализируемое равновесие устанавливается довольно медленно: константы скорости гидратации и дегидратации составляют 0,039 с−1 и 23 с−1 соответственно.

При высоком парциальном давлении CO2

В индустрии напитков газированную воду обычно называют газированной. Она получается путем растворения углекислого газа в воде под небольшим положительным давлением. Многие безалкогольные напитки, обработанные таким же образом, шипучие. Значительные количества молекул существуют в водных растворах, подвергаемых давлению в несколько гигапаскалей (десятки тысяч атмосфер) в недрах планет. Давление 0,6–1,6 ГПа при 100 К и 0,75–1,75 ГПа при 300 К достигается в ядрах крупных ледяных спутников, таких как Ганимед, Каллисто и Титан, где присутствуют вода и углекислый газ. Чистая угольная кислота, будучи более плотной, предположительно опустилась под ледяные слои, отделяя их от скалистых ядер этих спутников.

Отношение к бикарбонату и карбонату

Углекислота является формальной кислотой Брёнстеда-Лоури, конъюгированной по отношению к аниону бикарбоната, стабильной в щелочном растворе. Константы протонирования измерены с высокой точностью, но зависят от общей ионной силы I. Два наиболее легко измеряемых равновесия выглядят следующим образом: где квадратные скобки обозначают концентрацию вида. При 25 °C эти равновесия эмпирически удовлетворяют соотношению. В растворе, не содержащем других ионов (например, ), эти кривые подразумевают следующие константы ступенчатой диссоциации: Непосредственные значения этих констант, приводимые в литературе, составляют и . Для интерпретации этих значений следует отметить, что два химических вида в кислотном равновесии находятся в эквиконцентрации, когда. В частности, внеклеточная жидкость (цитозоль) в биологических системах имеет pH ≈ 7.2, поэтому углекислота будет диссоциировать примерно на 50% при равновесии.

Окисление океана

На графике Бьеррума показаны типичные равновесные концентрации в растворе, в морской воде, углекислого газа и различных форм, производных от него, в зависимости от pH. По мере увеличения масштабов промышленной деятельности человека и роста доли углекислого газа в атмосфере Земли, ожидается также увеличение доли углекислого газа, растворенного в морской и пресной воде в виде угольной кислоты. Это повышение концентрации растворенной кислоты, как ожидается, приведет к закислению этих вод и, соответственно, к снижению pH. По оценкам, увеличение растворенного углекислого газа уже привело к снижению среднего pH поверхности океана примерно на 0,1 по сравнению с доиндустриальным уровнем.