碳酸是固体还是液体?

2022-08-09 13:50:00

  碳酸是固体还是液体?

  液体。

  碳酸(英文名:carbonic acid)是一种二元弱酸,化学式为H2CO3,电离常数都很小。在常温、常压下,二氧化碳饱和溶液的浓度约为0.033mol/L,pH为5.6,pKa1=6.37,pKa2=10.32。

  碳酸显酸性,会使紫色石蕊试液变成红色。二氧化碳在溶液中大部分是以微弱结合的水合物形式存在,只有一小部分形成碳酸(H2CO3)——饱和CO2溶液中只有1%的CO2与H2O化合成碳酸。在常温时,CO2:H2CO3为600:1。

  碳酸的热稳定性很差。碳酸加热时全部分解并放出二氧化碳。碳酸在碱的作用下,能生成酸式碳酸盐M(HCO3)2和碳酸盐MCO3(M代表二价金属)。许多金属的酸式碳酸盐的溶解度稍大于正盐,其溶解度和Pco2(二氧化碳分压)有关。

  碳酸的性质

  物理性质

  碳酸酸性极低,其饱和水溶液pH约为5.6,其水溶液显酸性故可以使指示剂变色(可以使石蕊溶液变红色)。

  化学性质

  结构简式:HO—CO—OH在CO₂溶于水时形成。

  纯的碳酸以C(OH)4存在是个不稳定的晶体,遇水剧烈分解。

  碳酸是一种二元酸,其电离分为两步:

  H₂CO₃⇌HCO₃-+H+;Ka1=4.2×10-7mol/L;pKa1=6.38(25°C)

  HCO3-⇌CO32-+H+;Ka2=5.61×10-11mol/L;pKa2=10.25(25°C)

  需要注意的是,以上所述值并不适用于实际估算碳酸的酸性,因为单个碳酸分子的酸性比醋酸和甲酸都要强。实际上,碳酸分子只出现在二氧化碳和水的动态平衡中,其浓度比二氧化碳低得多,故酸度实际上较低。

  纯碳酸

  碳酸除了由二氧化碳和水形成之外,也可以由两个自由基(HCO、CO3)结合而成。另外一种方式是将碳酸氢盐加盐酸或者氢溴酸的水溶液合成;这个反应要在低温下进行,以免产物立刻分解为二氧化碳和水。

  在高于120K的温度可以形成非晶质碳酸,高于200K则会出现“β-相”的碳酸结晶,可由红外光谱学测出。

  β-相碳酸的光谱,可以确认它就是二氧化碳和水反应的副产物;它可在230–260 K升华而大部分不发生分解。一方面,基体分离的红外线光谱技术,可以测量碳酸分子的讯号,精确度到一个分子。

  碳酸可以由混合二氧化碳和水形成形成,又或者将干冰质子化来合成。由宇宙线的情况因此可以推测,在火星上或者外太空里的固态水和干冰混合物中,可能存在碳酸。碳酸的稳定性比预期中高,它能在比较高温(260K)存在,或甚至以气态存在于火星极冠。

  由从头计算法推算,只要有单独一个水分子存在,就足以催化气态碳酸分子分解为二氧化碳和水;若没有水,分解反应会很慢,在300K、气态下的反应半衰期是18万年。

  这只有在分子不多且距离彼此遥远下才能成立,因为计算同时推测,气态碳酸分子本身能发生自催化反应,形成二聚体然后发生分解反应。

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