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二元無機弱酸 来自维基百科,自由的百科全书
碳酸(英語:Carbonic acid)在化學上是一種二元酸(dibasic acid),化學式為H2CO3,溶於水而呈弱酸性。
碳酸 | |||
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IUPAC名 Carbonic acid | |||
別名 | 二氧化碳水溶液 碳酸氫 羥基甲酸 | ||
識別 | |||
CAS號 | 463-79-6 ![]() | ||
ChemSpider | 747 | ||
SMILES |
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InChI |
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InChIKey | BVKZGUZCCUSVTD-UHFFFAOYAU | ||
ChEBI | 28976 | ||
KEGG | C01353 | ||
性質 | |||
化學式 | H2CO3 | ||
摩爾質量 | 62.03 g·mol⁻¹ | ||
外觀 | 無色水溶液 | ||
密度 | 1.668 g/cm3 | ||
pKa | 6.367 (pKa1), 10.32 (pKa2) | ||
若非註明,所有數據均出自標準狀態(25 ℃,100 kPa)下。 |
在生物化學及生理學上,「碳酸」這個名稱常用於二氧化碳的水溶液,它在碳酸氫鹽緩衝系統中起重要作用,用於維持酸鹼平衡;在此應用上,也稱「揮發酸」(volatile acid)或「呼吸酸」,而相對於「代謝酸」或「固定酸」[1]。
二氧化碳(CO2)溶於水後,一部分二氧化碳會與水化合,形成碳酸。該反應是一個可逆反應,[2]方程式如下:
該反應在常溫下的平衡常數是Kh=1.70×10−3;因此室溫下大部分二氧化碳都不會參與反應。假若沒有催化劑存在,反應速率十分緩慢,其反應速率常數僅為0.039 s−1(正反應)以及23 s−1(逆反應)。碳酸是無機化合物。
純碳酸只能在−80 °C下製備。碳酸分子在水存在下會迅速分解成二氧化碳和水,但如果沒有水,純碳酸出乎意料能在室溫下穩定存在。[2][3]
在哺乳動物的血液中,碳酸在血液中所佔的角色非常重要。當二氧化碳從細胞進入血液後,它會與水化合形成碳酸,其後被奪走一個H+,形成碳酸氫根離子(HCO3−)。碳酸氫根離子會進入紅血球,與另一個H+結合,再次形成碳酸。在肺中,碳酸中的水將被奪走,二氧化碳即從肺部釋出。[1][4]
控制碳酸與二氧化碳間的反應平衡對於控制血液酸性的意義很重大。大多數生物具有一種名為碳酸酐酶的酶,它能有效地控制兩種化合物間的反應平衡。[5]
碳酸在胃酸的分泌中占了重要的作用;胃壁細胞可以藉由主動運輸形成鈉離子、鉀離子濃度差,利用酶從碳酸合成出胃酸的成分之一鹽酸。反應過程如下[6]:
綜合以上步驟,淨離子方程式可以寫成:
需要注意的是,以上所述值並不適用於實際估算碳酸的酸性,因為單個碳酸分子的酸性比醋酸和甲酸都要強。但實際上,碳酸分子只出現在二氧化碳和水的動態平衡中,其濃度比二氧化碳低得多,故酸度實際上較低,第一步反應可以記作:
這個值被稱為碳酸的解離常數。
儘管在常規環境下無法單獨分離碳酸,不過在特定條件下,純碳酸有很高的穩定性;例如從宇宙線的光譜可推測,火星極冠中260K的環境下碳酸以氣態存在、外太空裡的固態水和乾冰混合物中可能也存在碳酸[3][7]。由從頭計算法推算,只要有至少一個水分子存在,就足以催化氣態碳酸分子分解為二氧化碳和水。若沒有水,氣態碳酸分解反應會很慢,在室溫(300K)下的反應半衰期是18萬年[3];不過這只有在分子不多且距離彼此遙遠下才能成立,因為計算同時推測,氣態碳酸分子本身能發生自催化反應,形成二聚體然後發生分解反應[8]。
在120K的低溫下,碳酸呈非晶質態,高於200K則會出現「β-相」的碳酸結晶,更高溫度下會部分分解,在230–260 K昇華。除了以二氧化碳和水反應以外,也能將結合兩個自由基(HCO、CO3)製得碳酸,並以紅外光譜學、間質隔離技術觀測[9][7];其他合成方法,包括在低溫下將碳酸氫鹽加鹽酸或者氫溴酸的水溶液(低溫防止碳酸分解)[10],或者將乾冰質子化[11]。
曾有研究聲稱低溫合成出「α-相」的固態碳酸,反應物是碳酸氫鉀和鹽酸的甲醇溶液[12][13];然而這項研究結果,受到之後一份2014年的博士論文質疑[14]。透過同位素標記實驗,該論文認為產物是碳酸氫甲酯,而凝華的固體可能含有碳酸氫甲酯和二聚體,而不是碳酸[15];後續的間質隔離紅外線光譜分析,以及分析透過氣態合成、熱裂解技術合成的產物,都確認這點[16][17]。不過,碳酸還是可能存在其他不同的同質異形體。一氧化碳可以由羥基自由基氧化而得到碳酸[18];由這種方式合成的碳酸,是否可被稱為「γ-相碳酸」尚無定論。而「β-相碳酸」、「γ-相碳酸」還未經晶體學分析確定結構。
儘管碳酸分子一般在二氧化碳水溶液中所佔比例不高,大量分子態的碳酸可以在數十億帕斯卡(數萬標準大氣壓)的氣壓下,存在於水溶液;而這種情況可發生在星球內部[19][20]。