Новости химической науки > Раскрывая тайны угольной кислоты

Угольная кислота существует лишь доли секунды после того, как диоксид углерода попадает в воду, а затем диссоциирует с образованием катиона гидроксония и гидрокарбонат-аниона. Тем не менее, несмотря на свой недолгий век, угольная кислота весьма важна для ряда процессов, протекающих в атмосфере, для геологических и биохимических процессов, в том числе и протекающих в организме человека.

Из-за небольшого времени существования молекулы угольной кислоты ее химические свойства до настоящего времени оставались загадкой. Исследователям из Лаборатории Беркли и Университета Калифорнии (Беркли) удалось приподнять завесу над некоторыми тайнами угольной кислоты с помощью ряда экспериментов. В работе, описывающей результаты нового исследования, они демонстрируют, как газообразный диоксид углерода сольватируется водой, что приводит к образованию угольной кислоты, и как при этом инициируется химия переноса протона, приводящая в конечном итоге к образованию гидрокарбонат-иона.

Рисунок из Chemical Physics Letters, 2015; 633

Руководитель проекта Ричард Сайкалли (Richard Saykally) сообщает, что, используя сочетание рентгеновской адсорбционной спектроскопии [X-ray absorption spectroscopy (XAS)] и компьютерного моделирования, исследователям впервые удалось провести детальное описание структуры гидратной оболочки диоксида углерода, растворенного в воде. Он добавляет, что полученные результаты помогут повысить эффективность теоретического моделирования этих важных химических процессов путем изучения начального состояния стадии переноса протона, происходящего в воде.

Сайкалли с коллегами удалось обойти короткое время жизни угольной кислоты, составляющее всего около 26 миллисекунд, за счет разработки уникальной технологии смешения жидкостей с помощью микросопел. В соответствии с принципами этой технологии два водных образца быстро смешиваются и протекают через штуцер, настроенный специальным образом, изготовленный из оксида кремния и имеющий выходное отверстие всего несколько микрометров в диаметре. Образующаяся на выходе из штуцера струя вводится в вакуум-камеру, где ее и исследуют с помощью рентгеновских лучей, при этом анализ удается сделать до испарения струи, сопряженного с замерзанием. Ранее Сайкалли с коллегами использовал подобную же методику для изучения гидратной оболочки карбонат- и гидрокарбонат-анионов, и вот в новой работе она была применена к более короткоживущей системе. Дополнительная информация о гидратации углекислого газа и диссоциации угольной кислоты была получена с помощью расчетов, проведенных в группе Дэвида Прендергаста (David Prendergast).

Результаты исследования позволяют говорить о том, что угольная кислота в большей степени проявляет гидрофобные свойства, формируя около 0,56 водородных связей на молекулу. Атом углерода образует слабую связь с атомом кислорода одной молекулы воды, при этом межатомное расстояние С…О составляет величину, большую, чем 2,67 Ангстрем, атомы кислорода карбонильной группы ведут себя как слабые акцепторы водородной связи, в результате чего формируется водородно-связанная структура, располагающаяся в цилиндрической полости в водном растворителе.

По словам Сайкалли, рассчитанные спектральные параметры водного раствора угольной кислоты, растворенного и газообразного диоксида углерода хорошо совпадают с данными, полученными экспериментально. В перспективе исследователи планируют модифицировать установку, использованную для измерения, а также задействовать для расчета более высокий уровень теории abinitio.

Источник: Chemical Physics Letters, 2015; 633: 214 DOI: 10.1016/j.cplett.2015.05.039

метки статьи: #аналитическая химия, #неорганическая химия