탄산

3. 화학적 성질

탄산은 이양성자산이자 브뢴스테드-로우리 산으로 작용한다.^[20][21] 탄산 단량체는 시스-시스, 시스-트랜스, 트랜스-트랜스의 세 가지 배좌 이성질체를 나타낸다.^[8]

저온 및 대기압에서 고체 탄산은 비정질이며 X선 회절에서 브래그 피크가 없다.^[9] 그러나 고압에서는 탄산이 결정화되며, 현대의 분석 분광법을 이용하여 그 기하학적 구조를 측정할 수 있다. 1.85 GPa에서 중수소화 탄산(D₂CO₃)에 대한 중성자 회절에 따르면, 분자는 평면이며 수소 결합 쌍으로 연결된 이량체를 형성한다. 세 개의 C-O 결합은 모두 거의 동일한 길이(1.34 Å)를 가지며, 일반적인 C-O 및 C=O 거리(각각 1.43 및 1.23 Å)의 중간값이다. 이러한 특이한 C-O 결합 길이는 분자 중심의 비편재화된 π 결합과 매우 강한 수소 결합 때문이다. 같은 효과로 인해 이중 수소 결합된 8원자 고리에 의해 부과되는 136° O-H-O 각도를 통해 매우 짧은 O-O 간 거리(2.13 Å)가 유도된다.^[4]

탄산은 브뢴스테드-로우리 산-염기 이론의 중탄산염 음이온의 짝산이며, 알칼리성 용액에서 안정하다. 탄산은 수용액에서 다음과 같은 평형을 이룬다.

:$$\backslash begin\{align\}$$

\ce{CO3^{2-}{} + H+{} <=> HCO3^-} && \beta_1 = \frac{[\ce{HCO3^-}]}{[\ce{H+}][\ce{CO3^{2-}}]} \\

\ce{CO3^{2-}{} + 2H+{} <=> H2CO3} && \beta_2 = \frac{[\ce{H2CO3}]}{[\ce{H+}]^2[\ce{CO3^{2-}}]}

\end{align}

25 °C에서 이러한 평형은 경험적으로 다음을 만족한다.^[18]

:$$\backslash begin\{alignat\}\{6\}$$

\log(\beta_1) =&& 0&.54&I^2 - 0&.96&I +&& 9&.93 \\

\log(\beta_2) =&& -2&.5&I^2 - 0&.043&I +&& 16&.07

\end{alignat}

는 이온 강도이다. 는 이 증가함에 따라 감소하며, 도 마찬가지이다. 다른 이온이 없는 용액에서 이러한 곡선은 다음과 같은 단계적 해리 상수를 의미한다.

:$$\backslash begin\{alignat\}\{3\}$$

p\text{K}_1 &= \log(\beta_2) - \log(\beta_1) &= 6.77 \\

p\text{K}_2 &= \log(\beta_1) &= 9.93

\end{alignat}

문헌에 있는 이러한 상수의 직접적인 값으로는 와 가 있다.^[19]

탄산은 수용액에서 2단계 해리 반응을 일으키며, 각 단계별 해리 상수 및 관련 열역학적 수치는 다음과 같다.

3. 1. 탄산의 불안정성

3. 2. 금속과의 반응

3. 2. 1. 나트륨과의 반응

3. 2. 2. 칼슘과의 반응

3. 3. 기타 특성

4. 생화학적 중요성

화학에서 "탄산"이라는 용어는 엄밀히 말하면 화학식 H₂CO₃를 가진 화합물을 가리키지만, 일부 생화학 문헌에서는 탄산과 세포외액에 녹아 있는 이산화탄소 간의 구분을 모호하게 사용한다.^[12]

생리학에서 폐에서 배출되는 이산화탄소는 휘발성 산 또는 호흡성 산이라고 부를 수 있다.^[12] 탄산탈수효소가 존재하면 다음 반응이 빠르게 평형 상태에 도달한다.^[12]

:HCO3^- {+} H^+ <=> CO2 {+} H2O

생성된 이산화탄소가 용해도를 초과하면 기체가 발생하고, 헨리의 법칙에 의해 정의되는 평형도 고려해야 한다.^[13]

:CO_2 (soln) <=> CO_2 (g)

용액 내 평형을 위해 두 반응을 결합하면 다음과 같다.

:$$\backslash begin\{align\}$$

\ce{HCO3^{-}{} + H+{} <=> CO2(soln){} + H2O} && K_3 = \frac{[\ce{H+}][\ce{HCO3^-}]}{[\ce{CO2(soln)}]}

\end{align}

4. 1. 생물학적 용액에서의 평형

^[25]

4. 2. 중탄산염 및 탄산염과의 관계

• $$\backslash begin\{align\}$$

• $$\backslash begin\{alignat\}\{6\}$$

• $$\backslash begin\{alignat\}\{3\}$$

4. 2. 1. 해양 산성화

5. 용도

• 탄산수나 탄산음료에 톡 쏘는 맛을 주는 용도로 사용된다.^[14]
• 베이킹 소다를 만드는 데 사용된다.^[14]
• 폐수 처리 및 농업 관개에서 황 연소기에서 생성되는 황산과 아황산처럼 물의 산성도를 조절하는 데 사용된다.^[14]
• 음료 산업에서 탄산이 들어간 물 또는 "탄산수"는 일반적으로 탄산수라고 하며, 물에 이산화탄소를 약간의 양압 상태에서 용해시켜 만든다. 많은 청량 음료가 같은 방식으로 발포된다.^[14]
• 여러 기가파스칼(수만 기압)의 압력을 받는 수용액에는 상당량의 분자 H₂CO₃^영어가 존재하는데, 이는 행성 내부에서 발견된다.^[15][16] 가니메데, 칼리스토, 타이탄과 같은 큰 얼음 위성의 중심부에는 10만 K에서 0.6~1.6 GPa, 30만 K에서 0.75~1.75 GPa의 압력과 물, 이산화탄소가 존재한다. 밀도가 더 높은 순수한 탄산은 얼음층 아래로 가라앉아 얼음층과 이 위성들의 암석 중심부를 분리할 것으로 예상된다.^[17]

6. 탄산과 빗물

대기 중 이산화탄소(0.033%)가 녹아 있는 물의 pH는 5.6이다. 일반적인 빗물은 이산화탄소로 포화 상태가 아니므로, 대기오염물질이 없다면 pH는 6 정도이다. 공장 등에서 배출된 이산화황과 같은 산성 산화물이 녹아들어 이산화탄소로 포화된 빗물보다 pH가 낮아진 것을 산성비라고 한다.^[14] 빗물의 pH는 석회암이나 석회암과 같은 탄산염 광물에 영향을 미쳐 다양한 지형을 만들어낸다. 암석에 포함된 탄산칼슘과 이산화탄소가 녹아 있는 물 사이에는 다음과 같은 평형이 성립한다.

:CaCO3\ + CO2\ + H2O \ <=> \ Ca(HCO3)2

:(CaCO3(s)\ + CO2(aq)\ + H2O(l) \ <=> \ Ca^{2+}(aq)\ + 2 HCO3 ^-(aq))

이에 따라 물이 스며든 단층선 부근의 지하 동굴이 침식될 수 있다. 또한 물이 증발하거나 이산화탄소의 용해도가 저하되면 탄산칼슘이 재결정되어 종유석이나 석순을 형성한다. 석회암으로 이루어진 대수층에서 퍼 올린 물은 다량의 탄산칼슘이 녹아 있어 경수라고 불린다.

참조

_[1] 서적 Nomenclature of Organic Chemistry: IUPAC Recommendations and Preferred Names 2013 (Blue Book) Royal Society of Chemistry 2014
_[2] 서적 Ionisation Constants of Inorganic Acids and Bases in Aqueous Solution Pergamon
_[3] 학술지 Carbonic Acid in the Gas Phase and Its Astrophysical Relevance
_[4] 학술지 The Crystal Structure of Carbonic Acid 2022-09-00
_[5] 서적 Greenwood and Earnshaw
_[6] 학술지 On the Surprising Kinetic Stability of Carbonic Acid (H₂CO₃) 2000-00-00
_[7] 웹사이트 Acid-Base Physiology 2.1 – Acid-Base Balance https://www.anaesthe[...]
_[8] 학술지 Aqueous Carbonic Acid (H₂CO₃)
_[9] 학술지 Carbonic Acid: From Polyamorphism to Polymorphism 2007-00-00
_[10] 서적 Inorganic Chemistry Prentice-Pearson-Hall 2005
_[11] 학술지 CO₂ system hydration and dehydration kinetics and the equilibrium CO₂/H₂CO₃ ratio in aqueous NaCl solution
_[12] 학술지 Structure and mechanism of carbonic anhydrase
_[13] 학술지 Henry’s law constants (IUPAC Recommendations 2021) https://www.degruyte[...] 2022-01-01
_[14] 웹사이트 Irrigation water acidification using captured CO2; An option to traditional acidification systems. https://www.worldage[...] 2024-11-19
_[15] 학술지 Stable solid and aqueous H₂CO₃ from CO₂ and H₂O at high pressure and high temperature 2016-01-27
_[16] 학술지 Large presence of carbonic acid in CO₂-rich aqueous fluids under Earth's mantle conditions 2019-07-04
_[17] 학술지 Novel Stable Compounds in the C-H-O Ternary System at High Pressure 2016-00-00
_[18] 웹사이트 Stability constants https://old.iupac.or[...] IUPAC 2006-00-00
_[19] 학술지 How Acidic Is Carbonic Acid? 2016-00-00
_[20] 학술지 Anodic production of hydrogen peroxide using commercial carbon materials
_[21] 학술지 Understanding carbonate equilibria by measuring alkalinity in experimental and natural systems
_[22] 학술지 Anthropogenic carbon and ocean pH https://zenodo.org/r[...]
_[23] 학술지 The Oceanic Sink for Anthropogenic CO₂ https://www.science.[...]
_[24] 학술지 Tracer studies with radioactive oxygen-15. Exchange between carbon dioxide and water
_[25] 학술지 The NBS tables of chemical thermodynamics properties
_[26] 서적 基礎化学選書8 酸と塩基 裳華房
_[27] 학술지 Infrared and Mass Spectral Studies of Proton Irradiated H2O + CO2 Ice: Evidence for Carbonic Acid
_[28] 학술지 On the Surprising Kinetic Stability of Carbonic Acid
_[29] 서적 Nomenclature of Organic Chemistry : IUPAC Recommendations and Preferred Names 2013 (Blue Book) Royal Society of Chemistry 2014