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| − | {{Otheruses|[[化学物質]]の炭酸|炭酸の入った水は「[[炭酸水]]」、[[サイダー]]、[[コーラ (飲料)|コーラ]]などの炭酸の入った[[清涼飲料水]]|炭酸飲料}}
| + | '''炭酸'''（たんさん、{{Lang-en-short|carbonic acid}}） |
| − | {{Chembox
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| − | | Watchedfields = changed
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| − | | verifiedrevid = 409736692
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| − | | ImageFile1 = Carbonic-acid-2D.svg
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| − | | ImageSize1 =
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| − | | ImageName1 = 骨格構造式
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| − | | ImageFile2 = Carbonic-acid-3D-vdW.png
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| − | | ImageSize2 = 180px
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| − | | ImageName2 = 空間充填モデル
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| − | | IUPACName = Carbonic acid<br />炭酸
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| − | | OtherNames = 二酸化炭素溶液<br />Dihydrogen carbonate<br />acid of air<br />Aerial acid<br />Hydroxymethanoic acid
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| − | | Section1 = {{Chembox Identifiers
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| − | | KEGG_Ref = {{keggcite|correct|kegg}}
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| − | | KEGG = C01353
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| − | | InChI = 1/CH2O3/c2-1(3)4/h(H2,2,3,4)
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| − | | InChIKey = BVKZGUZCCUSVTD-UHFFFAOYAU
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| − | | ChEMBL_Ref = {{ebicite|correct|EBI}}
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| − | | ChEMBL = 1161632
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| − | | StdInChI_Ref = {{stdinchicite|correct|chemspider}}
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| − | | StdInChI = 1S/CH2O3/c2-1(3)4/h(H2,2,3,4)
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| − | | StdInChIKey_Ref = {{stdinchicite|correct|chemspider}}
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| − | | StdInChIKey = BVKZGUZCCUSVTD-UHFFFAOYSA-N
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| − | | CASNo = 463-79-6
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| − | | CASNo_Ref = {{cascite|correct|CAS}}
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| − | | PubChem =
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| − | | ChemSpiderID_Ref = {{chemspidercite|correct|chemspider}}
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| − | | ChemSpiderID = 747
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| − | | SMILES = O=C(O)O
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| − | }}
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| − | | Section2 = {{Chembox Properties
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| − | | Formula = H<sub>2</sub>CO<sub>3</sub>
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| − | | MolarMass = 62.03 g/mol
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| − | | Appearance =
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| − | | Density = 1.0 g/cm<sup>3</sup> (希薄溶液)
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| − | | Solubility = 溶液中にのみ存在
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| − | | pKa = 6.352 (p''K''<sub>a1</sub>)
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| − | | MeltingPt = n/a
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| − | | BoilingPt =
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| − | }}
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| − | | Section3 = {{Chembox Hazards
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| − | | MainHazards = | |
| − | | FlashPt =
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| − | }}
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| − | '''炭酸'''（たんさん、{{Lang-en-short|carbonic acid}}）は、[[化学式]] H<sub>2</sub>CO<sub>3</sub> で表される[[炭素]]の[[オキソ酸]]であり[[弱酸]]の一種である。
| + | 化学式 H<sub>2</sub>CO<sub>3</sub> 。二酸化炭素が水に溶けて生じる弱い二塩基酸。水溶液としてのみ存在する。炭酸の溶解度は共存する塩の濃度，水素イオン濃度，温度および二酸化炭素の分圧に比例する。アルカリ金属以外の金属塩は水に難溶である。 |
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| − | == 性質 ==
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| − | 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。
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| − | : <ce>CO2(g)\ <=>\ CO2(aq)</ce>
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| − |
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| − | 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。
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| − | : <ce>CO2(aq)\ + H2O(l)\ <=>\ H2CO3(aq)</ce>
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| − |
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| − | この反応の[[平衡定数]] (''K''<sub>h</sub>) は 25 ℃で 1.7 × 10<sup>−3</sup> であり<ref>Welch, M. J.; Lipton, J. F.; Seck, J. A. (1969). "Tracer studies with radioactive oxygen-15. Exchange between carbon dioxide and water". ''J. Phys. Chem.'' '''73''': 3351–3356. DOI: [http://dx.doi.org/10.1021/j100844a033 10.1021/j100844a033]</ref>、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 CO<sub>2</sub> 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<sup>−1</sup>、逆反応の速度定数は 23 s<sup>−1</sup> である。
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| − | 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。
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| − | 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 p''K''<sub>a1</sub> = 3.60、2段階目が p''K''<sub>a2</sub> = 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 p''K''a* 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。
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| − | : <math>\rm H_2CO_3(aq) \ \overrightarrow\longleftarrow \ HCO_3^-(aq) + H^+(aq)</math>
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| − | : <math>\rm HCO_3^-(aq) \ \overrightarrow\longleftarrow \ CO_3^{2-}(aq) + H^+(aq)</math>
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| − | : <math>K_{a1} = \frac{[\mbox{H}^+][\mbox{HCO}_3^-]} {[\mbox{H}_2\mbox{CO}_3]} = 2.5 \times 10^{-4}</math>
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| − | 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<ref name=Parker>D.D. Wagman, W.H. Evans, V.B. Parker, R.H. Schumm, I. Halow, S.M. Bailey, K.L. Churney, R.I. Nuttal, K.L. Churney and R.I. Nuttal, The NBS tables of chemical thermodynamics properties, J. Phys. Chem. Ref. Data 11 Suppl. 2 (1982).</ref>、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<ref name=tanaka>田中元治 『基礎化学選書8 酸と塩基』 裳華房、1971年</ref>。この値は以下の平衡に対するものでp''K''<sub>a1</sub>*は見かけの酸解離定数である。
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| − | [[ファイル:Titration-H2CO3-NaOH.jpg|thumb|280px|[[水酸化ナトリウム]]水溶液による中和滴定曲線]]
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| − | : <math>\rm CO_2(aq) + H_2O(l) \ \overrightarrow\longleftarrow \ H^+(aq) + HCO_3^-(aq)</math>, <math>\mbox{p}K_{a1}^* = 6.35 \,</math>
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| − |
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| − | : <math>\rm HCO_3^-(aq) \ \overrightarrow\longleftarrow \ H^+(aq) + CO_3^{2-}(aq)</math>, <math>\mbox{p}K_{a2} = 10.33 \,</math>
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| − |
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| − | : <math>K_{a1}^* = \frac{[\mbox{H}^+][\mbox{HCO}_3^-]} {[\mbox{H}_2\mbox{CO}_3]+[\mbox{CO}_2]} = 4.45 \times 10^{-7}</math>
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| − |
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| − | : <math>K_{a2} = \frac{[\mbox{H}^+][\mbox{CO}_3^{2-}]} {[\mbox{HCO}_3^-]} = 4.7 \times 10^{-11}</math>
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| − | {| class="wikitable" style="text-align: center; white-space:nowrap;"
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| − | |-
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| − | !
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| − | !! style="white-space:nowrap"| <math>\mathit{\Delta} H^\circ</math>
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| − | !! style="white-space:nowrap"| <math>\mathit{\Delta} G^\circ</math>
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| − | !! style="white-space:nowrap"| <math>\mathit{\Delta} S^\circ</math>
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| − | !! style="white-space:nowrap"| <math>\mathit{\Delta} Cp^\circ</math>
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| − | |-
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| − | ! style="white-space:nowrap"| 第一解離
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| − | | style="white-space:nowrap; background-color:#ffffff"| 7.64 kJ mol<sup>−1</sup>
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| − | | style="white-space:nowrap; background-color:#ffffff"| 36.34 kJ mol<sup>−1</sup>
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| − | | style="white-space:nowrap; background-color:#ffffff"| −96.3 J mol<sup>−1</sup>K<sup>−1</sup>
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| − | | style="white-space:nowrap; background-color:#ffffff"| −377 J mol<sup>−1</sup>K<sup>−1</sup>
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| − | |-
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| − | ! style="white-space:nowrap"| 第二解離
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| − | | style="white-space:nowrap; background-color:#ffffff"| 14.85 kJ mol<sup>−1</sup>
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| − | | style="white-space:nowrap; background-color:#ffffff"| 58.96 kJ mol<sup>−1</sup>
| |
| − | | style="white-space:nowrap; background-color:#ffffff"| −148.1 J mol<sup>−1</sup>K<sup>−1</sup>
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| − | | style="white-space:nowrap; background-color:#ffffff"| −272 J mol<sup>−1</sup>K<sup>−1</sup>
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| − | |-
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| − | |}
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| − | == 不安定性 ==
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| − | 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 H<sub>2</sub>CO<sub>3</sub> を作り出すことに成功した<ref>Moore, M. H.; Khanna, R. (1991). "Infrared and Mass Spectral Studies of Proton Irradiated H2O + CO2 Ice: Evidence for Carbonic Acid". ''Spectrochim. Acta [A]'' '''47''': 255–262.</ref>。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。
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| − | 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<ref>Loerting, T.; Tautermann, C.; Kroemer, R. T.; Kohl, I.; Mayer, E.; Hallbrucker, A.; Leidl, K. R. (2000). "On the Surprising Kinetic Stability of Carbonic Acid". ''Angew. Chem., Int. Ed.'' '''39''': 891–894. DOI: [http://dx.doi.org/10.1002/(SICI)1521-3773(20000303)39:5%3C891::AID-ANIE891%3E3.0.CO;2-E 10.1002/(SICI)1521-3773(20000303)39:5<891::AID-ANIE891>3.0.CO;2-E]</ref>。
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| − | == 炭酸と雨水 ==
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| − | 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 (岩石)|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。
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| − | : <ce>CaCO3\ + CO2\ + H2O \ <=> \ Ca(HCO3)2</ce>
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| − | : <ce>(CaCO3(s)\ + CO2(aq)\ + H2O(l) \ <=> \ Ca^{2+}(aq)\ + 2 HCO3 ^-(aq))</ce>
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| − | 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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| − | == 脚注 ==
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| − | {{脚注ヘルプ}}
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| − | {{Reflist}}
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| − | == 関連項目 ==
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| − | {{Commonscat|Carbonic acid}}
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| − | * [[オルト炭酸]]
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| − | * [[炭酸塩]]
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| − | * [[炭酸水]]、[[炭酸飲料]]
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| | {{水素の化合物}} | | {{水素の化合物}} |