Вугільна кислота (H₂CO₃) — це хімічна сполука, яка утворюється при розчиненні вуглекислого газу (CO₂) у воді (H₂O). Реакція утворення вугільної кислоти є оборотною, тобто CO₂ може реагувати з водою і утворювати вугільну кислоту:
CO₂ + H₂O ⇌ H₂CO₃
Проте вугільна кислота є нестабільною в чистому вигляді, швидко розкладаючись на воду та CO₂. Тому вона рідко зустрічається в чистому вигляді поза контрольованими умовами, і зазвичай існує у вигляді водних розчинів, що містять розчинений CO₂.
У біології та фізіології баланс між CO₂ і H₂CO₃ є критичним для регулювання pH крові, що є важливим для нормального функціонування клітин. Бікарбонатна буферна система (що включає бікарбонатні іони, HCO₃⁻) допомагає підтримувати стабільний pH, використовуючи CO₂ та вугільну кислоту для нейтралізації надлишкових водневих іонів (кислота) або гідроксидних іонів (основа). Це особливо важливо при диханні, оскільки CO₂ постійно виробляється в організмі і потребує управління, щоб запобігти змінам pH крові, що можуть негативно вплинути на клітинні процеси.
Також роль вугільної кислоти і її рівновага є важливими в екологічній хімії, наприклад, при окисленні океанів, де збільшення концентрації CO₂ в атмосфері призводить до його розчинення у морській воді, утворюючи вугільну кислоту. Це знижує pH води, що може мати вплив на морське життя.
Безводна вугільна кислота
При нормальних температурах чиста вугільна кислота є нестабільним газом. Безводна вугільна кислота — це форма вугільної кислоти, яка не містить води. Існують два основні методи для виробництва безводної вугільної кислоти:
- Реакція хлориду водню (HCl) з гідрокарбонатом калію (KHCO₃) при 100 K у метанолі.
- Протонне опромінення чистого твердого CO₂.
Хімічно безводна вугільна кислота поводиться як дипротонна кислота Бренстеда (вона може віддавати два протони, H⁺, у хімічних реакціях).
Конформаційні ізомери
Мономери вугільної кислоти можуть мати три конформаційні ізомери:
- Цис–цис
- Цис–транс
- Транс–транс
Ці ізомери представляють різні просторові розташування атомів молекули.
Тверда вугільна кислота
При низьких температурах та атмосферному тиску тверда вугільна кислота є аморфною, тобто вона не має регулярної структури та не показує бреггових піків в рентгенівській дифракції. Однак при високому тиску вугільна кислота кристалізується, і сучасні методи аналітичної спектроскопії можуть вимірювати її кристалічну структуру та геометрію.
Нейтронна дифракція дідеутератованої вугільної кислоти
В експерименті з нейтронною дифракцією дідеутератованої вугільної кислоти (D₂CO₃) в гибридному затискному клітині при 1.85 GPa результати показали, що молекули вугільної кислоти є планарними і утворюють димери (пари молекул), з’єднані через водневі зв’язки.
- Усі три C–O зв’язки майже рівновіддалені — 1.34 Å (ангстрем), що є між типовими довжинами C–O і C=O зв’язків (1.43 Å та 1.23 Å відповідно).
- Незвичайні довжини C–O зв’язків пояснюються делокалізованим π-зв’язуванням в центрі молекули та надзвичайно сильними водневими зв’язками.
Додатково, коротка відстань O–O 2.13 Å спостерігається через 136° O-H-O кут, що нав’язується подвоєно водневозв’язаними 8-членними кільцями. У порівнянні, більші відстані O–O (понад 2.4 Å) спостерігаються в сильних внутрішньомолекулярних водневих зв’язках в інших сполуках, наприклад, в оксимісній кислоті.
У водному розчині
Навіть за наявності невеликої кількості води вугільна кислота дегідратується до вуглекислого газу (CO₂) та води, що далі каталізує її розкладання. Тому вуглекислий газ можна вважати ангідридом вугільної кислоти.
Константа рівноваги гідратації при 25 °C становить:
[H₂CO₃] / [CO₂] ≈ 1.7 × 10⁻³ в чистій воді
і
[H₂CO₃] / [CO₂] ≈ 1.2 × 10⁻³ в морській воді.
Таким чином, більшість вуглекислого газу на геофізичних або біологічних повітряно-водних межах не перетворюється на вугільну кислоту, залишаючись в розчиненому стані у вигляді газу CO₂. Однак рівновага без каталізу досягається досить повільно: константи швидкості для гідратації та дегідратації становлять 0.039 с⁻¹ для гідратації та 23 с⁻¹ для дегідратації.
Біологічні розчини
За наявності ферменту вуглекисної ангідази рівновага досягається швидко, і наступна реакція має пріоритет:
HCO₃⁻ + H⁺ ⇌ CO₂ + H₂O
Коли утворений вуглекислий газ перевищує свою розчинність, газ виходить, і необхідно враховувати третю рівновагу:
CO₂(soln) ⇌ CO₂(g)
Константа рівноваги для цієї реакції визначається за законом Генрі.
Дві реакції можна комбінувати для рівноваги в розчині:
HCO₃⁻ + H⁺ ⇌ CO₂(soln) + H₂O
де:
K₃ = [H⁺][HCO₃⁻] / [CO₂(soln)]
Коли використовується закон Генрі для обчислення знаменника, слід бути обережним з одиницями вимірювання, оскільки сталою Генрі часто виражається з 8 різними вимірювальними одиницями.
Контроль pH води
У обробці стічних вод і сільському господарстві для поливу вугільна кислота використовується для зниження pH води, подібно до сірчаної кислоти та сірчистої кислоти, що утворюються при спалюванні сірки.
Під високим парціальним тиском CO₂
В харчовій промисловості газована або “шипуча вода” зазвичай називається вуглекисною водою. Вона виготовляється шляхом розчинення вуглекислого газу під невеликим додатним тиском у воді. Багато безалкогольних напоїв обробляються таким самим способом і утворюють газовані бульбашки.
Значні кількості молекулярної H₂CO₃ існують в водних розчинах, що піддаються тискам на рівні кількох гігапаскалів (десятки тисяч атмосфер) у планетарних інтер’єрах.
Тиски від 0.6 до 1.6 ГПа при 100 K, та від 0.75 до 1.75 ГПа при 300 K досягаються в ядрах великих крижаних супутників, таких як Ганімед, Калісто та Титан, де присутні вода і вуглекислий газ. Оскільки чиста вугільна кислота є більш щільною, вона, ймовірно, осіла під льодовими шарами, розділяючи їх від кам’янистих ядер цих супутників.