出典(authority):フリー百科事典『ウィキペディア(Wikipedia)』「2015/02/20 06:34:40」(JST)
この項目では、化学物質の炭酸について説明しています。サイダー、コーラなどの炭酸の入った清涼飲料水については「炭酸飲料」をご覧ください。 |
炭酸 | |
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IUPAC名
Carbonic acid |
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別称
二酸化炭素溶液
Dihydrogen carbonate |
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識別情報 | |
CAS登録番号 | 463-79-6 |
ChemSpider | 747 |
KEGG | C01353 |
ChEMBL | CHEMBL1161632 |
SMILES
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InChI
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特性 | |
化学式 | H2CO3 |
モル質量 | 62.03 g/mol |
密度 | 1.0 g/cm3 (希薄溶液) |
融点 |
n/a |
水への溶解度 | 溶液中にのみ存在 |
酸解離定数 pKa | 6.352 (pKa1) |
特記なき場合、データは常温 (25 °C)・常圧 (100 kPa) におけるものである。 |
炭酸(たんさん、英: carbonic acid)は、化学式 H2CO3 で表される炭素のオキソ酸であり弱酸の一種である。
普通は水溶液(炭酸水)中のみに存在し、水に二酸化炭素を溶解(炭酸飽和)することで生じる。
水に溶解した二酸化炭素の一部は水分子の付加により炭酸となる。
この反応の平衡定数 (Kh) は 25 °Cで 1.7 × 10−3 であり[1]、著しく左に偏っているため水溶液中の二酸化炭素の大部分は CO2 分子として存在する。触媒が存在しない場合、二酸化炭素と炭酸の間の反応が平衡に達する速度は低く、正反応の速度定数は 0.039 s−1、逆反応の速度定数は 23 s−1 である。
二酸化炭素と炭酸の平衡は体液の酸性度を調節する上で非常に重要であり、ほとんどの生物はこれら2つの化合物を変換させるための炭酸脱水酵素を持っている。この酵素は反応速度をおよそ10億倍にする。
炭酸は水溶液中で2段階の解離を起こす。25 ℃における酸解離定数は1段階目が pKa1 = 3.60、2段階目が pKa2 = 10.25 であり、炭酸は真の解離定数において酢酸よりも強い酸であるが、上記の二酸化炭素との平衡が存在するために、見かけ上の pKa* が高い非常に弱い酸である。このため炭酸塩は相応の塩基性を示し、灰汁として古代より日常生活のアルカリとして洗浄などに活用されてきた。
酸解離に関する標準エンタルピー変化、ギブス自由エネルギー変化、エントロピー変化の値が報告されており[2]、解離に伴いエントロピーの減少がおこるのは、電荷の増加に伴いイオンの水和の程度が増加し、電縮が起こり水分子の水素結合による秩序化の度合いが増加するからである[3]。この値は以下の平衡に対するものでpKa1*は見かけの酸解離定数である。
第一解離 | 7.64 kJ mol−1 | 36.34 kJ mol−1 | −96.3 J mol−1K−1 | −377 J mol−1K−1 |
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第二解離 | 14.85 kJ mol−1 | 58.96 kJ mol−1 | −148.1 J mol−1K−1 | −272 J mol−1K−1 |
長い間、炭酸そのものを室温で単離することは不可能だと考えられていた。しかし、1991年にNASA・ゴダード宇宙飛行センターの科学者が初めて純粋な H2CO3 を作り出すことに成功した[4]。彼らは凍結させた水と二酸化炭素に高エネルギーの放射線を照射したのち、加温して余分な水を取り除くことにより単離を行った。得られた炭酸の構造は赤外分光法によって検討された。宇宙空間には水や二酸化炭素の氷が普通に存在することから、この実験結果は宇宙線や紫外線によってそれらが反応することで生成した炭酸も宇宙空間には存在する可能性があることを示唆している。
理論計算によって、水が1分子でも存在すると炭酸はすぐに二酸化炭素と水に戻ってしまうが、水を含まない純粋な炭酸は気体状態で安定であることが示されており、その半減期はおよそ18万年であると見積もられている[5]。
大気中の二酸化炭素 (0.033 %) が溶け込んだ水の pH は 5.6 である。通常の雨水は二酸化炭素で飽和状態になってはいないため、大気汚染物質がなければその pH は 6 前後である。これは二酸化硫黄などの工業廃棄物によって雨水の pH が激しく低下する酸性雨現象とは異なる。しかし、雨の酸性度はチョークや石灰岩などの炭酸塩鉱物に関する重要な地質学的問題である。岩石に含まれる炭酸カルシウムと炭酸水素カルシウムの間には、以下のような溶液中での平衡が成り立っている。
これにより、水が入りこんだ断層線付近の地下洞窟が浸食されることがある。カルシウムを多く含んだ水が蒸発すると炭酸カルシウムが沈殿し、しばしば鍾乳石や石筍を形成する。チョークからなる帯水層からくみ上げられた水は多量の炭酸カルシウムが溶解しており、「硬水」と呼ばれる。
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Names | |||
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IUPAC name
Carbonic acid
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Other names
Carbon dioxide solution; Dihydrogen carbonate; acid of air; Aerial acid; Hydroxymethanoic acid
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Identifiers | |||
CAS number | 463-79-6 Y | ||
ChEBI | CHEBI:28976 Y | ||
ChEMBL | ChEMBL1161632 Y | ||
ChemSpider | 747 Y | ||
InChI
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Jmol-3D images | Image | ||
KEGG | C01353 Y | ||
SMILES
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Properties | |||
Molecular formula
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H2CO3 | ||
Molar mass | 62.03 g/mol | ||
Density | 1.668 g/cm3 | ||
Solubility in water
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Exists only in solution | ||
Acidity (pKa) | 3.6 (pKa1 for H2CO3 only), 6.3 (pKa1 including CO2(aq)), 10.32 (pKa2) | ||
Except where noted otherwise, data is given for materials in their standard state (at 25 °C (77 °F), 100 kPa)
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Y verify (what is: Y/N?) | |||
Infobox references | |||
Carbonic acid is the chemical compound with the chemical formula H2CO3 (equivalently OC(OH)2). It is also a name sometimes given to solutions of carbon dioxide in water (carbonated water), because such solutions contain small amounts of H2CO3. In physiology, carbonic acid is described as volatile acid or respiratory acid, because it is the only acid excreted as a gas by the lungs.[1]
Carbonic acid, which is a weak acid, forms two kinds of salts, the carbonates and the bicarbonates. In geology, carbonic acid causes limestone to dissolve producing calcium bicarbonate which leads to many limestone features such as stalactites and stalagmites.
When carbon dioxide dissolves in water it exists in chemical equilibrium producing carbonic acid:[2]
The hydration equilibrium constant at 25°C is called Kh, which in the case of carbonic acid is [H2CO3]/[CO2] ≈ 1.7×10−3 in pure water[3] and ≈ 1.2×10−3 in seawater.[4] Hence, the majority of the carbon dioxide is not converted into carbonic acid, remaining as CO2 molecules. In the absence of a catalyst, the equilibrium is reached quite slowly. The rate constants are 0.039 s−1 for the forward reaction (CO2 + H2O → H2CO3) and 23 s−1 for the reverse reaction (H2CO3 → CO2 + H2O). Carbonic acid is used in the making of soft drinks, inexpensive and artificially carbonated sparkling wines, and other bubbly drinks. The addition of two molecules of water to CO2 would give orthocarbonic acid, C(OH)4, which exists only in minute amounts in aqueous solution.
Addition of base to an excess of carbonic acid gives bicarbonate. With excess base, carbonic acid reacts to give carbonate salts.
Carbonic acid is an intermediate step in the transport of CO2 out of the body via respiratory gas exchange. The hydration reaction of CO2 is generally very slow in the absence of a catalyst, but red blood cells contain carbonic anhydrase, which both increases the reaction rate and dissociates a hydrogen ion (H+) from the resulting carbonic acid, leaving bicarbonate (HCO3−) dissolved in the blood plasma. This catalysed reaction is reversed in the lungs, where it converts the bicarbonate back into CO2 and allows it to be expelled. This equilibration plays an important role as a buffer in mammalian blood.[5]
The oceans of the world have absorbed almost half of the CO2 emitted by humans from the burning of fossil fuels.[6] The extra dissolved carbon dioxide has caused the ocean's average surface pH to shift by about 0.1 unit from pre-industrial levels.[7] This process is known as ocean acidification.[8]
Carbonic acid is one of the polyprotic acids: It is diprotic - it has two protons, which may dissociate from the parent molecule. Thus, there are two dissociation constants, the first one for the dissociation into the bicarbonate (also called hydrogen carbonate) ion HCO3−:
Care must be taken when quoting and using the first dissociation constant of carbonic acid. In aqueous solution, carbonic acid exists in equilibrium with carbon dioxide, and the concentration of H2CO3 is much lower than the concentration of CO2. In many analyses, H2CO3 includes dissolved CO2 (referred to as CO2(aq)), H2CO3* is used to represent the two species when writing the aqueous chemical equilibrium equation. The equation may be rewritten as follows:[9]
Whereas this apparent pKa is quoted as the dissociation constant of carbonic acid, it is ambiguous: it might better be referred to as the acidity constant of dissolved carbon dioxide, as it is particularly useful for calculating the pH of CO2-containing solutions. A similar situation applies to sulfurous acid (H2SO3), which exists in equilibrium with substantial amounts of unhydrated sulfur dioxide.
The second constant is for the dissociation of the bicarbonate ion into the carbonate ion CO32−:
The three acidity constants are defined as follows:
At a given temperature, the composition of a pure carbonic acid solution (or of a pure CO2 solution) is completely determined by the partial pressure of carbon dioxide above the solution. To calculate this composition, account must be taken of the above equilibria between the three different carbonate forms (H2CO3, HCO3− and CO32−) as well as of the hydration equilibrium between dissolved CO2 and H2CO3 with constant (see above) and of the following equilibrium between the dissolved CO2 and the gaseous CO2 above the solution:
The corresponding equilibrium equations together with the relation and the charge neutrality condition result in six equations for the six unknowns [CO2], [H2CO3], [H+], [OH−], [HCO3−] and [CO32−], showing that the composition of the solution is fully determined by . The equation obtained for [H+] is a cubic whose numerical solution yields the following values for the pH and the different species concentrations:
(atm) |
pH | [CO2] (mol/L) |
[H2CO3] (mol/L) |
[HCO3−] (mol/L) |
[CO32−] (mol/L) |
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1.0 × 10−8 | 7.00 | 3.36 × 10−10 | 5.71 × 10−13 | 1.42 × 10−09 | 7.90 × 10−13 |
1.0 × 10−7 | 6.94 | 3.36 × 10−09 | 5.71 × 10−12 | 5.90 × 10−09 | 1.90 × 10−12 |
1.0 × 10−6 | 6.81 | 3.36 × 10−08 | 5.71 × 10−11 | 9.16 × 10−08 | 3.30 × 10−11 |
1.0 × 10−5 | 6.42 | 3.36 × 10−07 | 5.71 × 10−10 | 3.78 × 10−07 | 4.53 × 10−11 |
1.0 × 10−4 | 5.92 | 3.36 × 10−06 | 5.71 × 10−09 | 1.19 × 10−06 | 5.57 × 10−11 |
3.5 × 10−4 | 5.65 | 1.18 × 10−05 | 2.00 × 10−08 | 2.23 × 10−06 | 5.60 × 10−11 |
1.0 × 10−3 | 5.42 | 3.36 × 10−05 | 5.71 × 10−08 | 3.78 × 10−06 | 5.61 × 10−11 |
1.0 × 10−2 | 4.92 | 3.36 × 10−04 | 5.71 × 10−07 | 1.19 × 10−05 | 5.61 × 10−11 |
1.0 × 10−1 | 4.42 | 3.36 × 10−03 | 5.71 × 10−06 | 3.78 × 10−05 | 5.61 × 10−11 |
1.0 × 10+0 | 3.92 | 3.36 × 10−02 | 5.71 × 10−05 | 1.20 × 10−04 | 5.61 × 10−11 |
2.5 × 10+0 | 3.72 | 8.40 × 10−02 | 1.43 × 10−04 | 1.89 × 10−04 | 5.61 × 10−11 |
1.0 × 10+1 | 3.42 | 3.36 × 10−01 | 5.71 × 10−04 | 3.78 × 10−04 | 5.61 × 10−11 |
Remark
Theoretical calculations show that the presence of even a single molecule of water causes carbonic acid to revert to carbon dioxide and water. In the absence of water, the dissociation of gaseous carbonic acid is predicted to be very slow, with a half-life of 180,000 years.[10] This may only apply to isolated carbonic acid molecules however, as it has been predicted to catalyze its own decomposition[11]
It has long been recognized that pure carbonic acid cannot be obtained at room temperatures (about 20 °C or about 70 °F). It can be generated by exposing a frozen mixture of water and carbon dioxide to high-energy radiation, and then warming to remove the excess water. The carbonic acid that remained was characterized by infrared spectroscopy. The fact that the carbonic acid was prepared by irradiating a solid H2O + CO2 mixture may suggest that H2CO3 might be found in outer space, where frozen ices of H2O and CO2 are common, as are cosmic rays and ultraviolet light, to help them react.[10] The same carbonic acid polymorph (denoted beta-carbonic acid) was prepared by heating alternating layers of glassy aqueous solutions of bicarbonate and acid in vacuo, which causes protonation of bicarbonate, followed by removal of the solvent. The previously suggested alpha-carbonic acid, which was prepared by the same technique using methanol rather than water as a solvent was shown to be a monomethyl ester CH3OCOOH.[12]
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