碳酸（英语：carbonic acid）在化学上是一种二元酸（dibasic acid），化学式为H2CO3，溶于水而呈弱酸性。
| 碳酸 | |||
|---|---|---|---|
| |||
| IUPAC名 Carbonic acid | |||
| 别名 | 二氧化碳水溶液 碳酸氢 羟基甲酸 | ||
| 识别 | |||
| CAS号 | 463-79-6 
| ||
| ChemSpider | 747 | ||
| SMILES |
| ||
| InChI |
| ||
| InChIKey | BVKZGUZCCUSVTD-UHFFFAOYAU | ||
| ChEBI | 28976 | ||
| KEGG | C01353 | ||
| 性质 | |||
| 化学式 | H2CO3 | ||
| 摩尔质量 | 62.03 g·mol⁻¹ | ||
| 外观 | 无色水溶液 | ||
| 密度 | 1.668 g/cm3 | ||
| pKa | 6.367 (pKa1), 10.32 (pKa2) | ||
| 若非注明，所有数据均出自标准状态（25 ℃，100 kPa）下。 | |||
在生物化学及生理学上，“碳酸”这个名称常用于二氧化碳的水溶液，它在碳酸氢盐缓冲系统中起重要作用，用于维持酸碱平衡；因此，碳酸是机体内不同二氧化碳状态之间转换的关键形式；在此应用上，也称“挥发酸”（volatile acid）或“呼吸酸”，而相对于“代谢酸”或“固定酸”[1]。
二氧化碳（CO2）溶于水后，一部分二氧化碳会与水化合，形成碳酸。该反应是一个可逆反应，[2]方程式如下：
该反应在常温下的平衡常数是Kh=1.70×10−3；因此室温下大部分二氧化碳都不会参与反应。假若没有催化剂存在，反应速率十分缓慢，其反应速率常数仅为0.039 s−1（正反应）以及23 s−1（逆反应）。碳酸是无机化合物。
纯碳酸只能在−80 °C下制备。碳酸分子在水存在下会迅速分解成二氧化碳和水，但如果没有水，纯碳酸出乎意料能在室温下稳定存在。[2][3]
生物体内的碳酸
在哺乳动物的血液中，碳酸在血液中所占的角色非常重要。当二氧化碳从细胞进入血液后，它会与水化合形成碳酸，其后被夺走一个H+，形成碳酸氢根离子（HCO3−）。碳酸氢根离子会进入红血球，与另一个H+结合，再次形成碳酸。在肺中，碳酸中的水将被夺走，二氧化碳即从肺部释出。[1][4]
控制碳酸与二氧化碳间的反应平衡对于控制血液酸性的意义很重大。大多数生物具有一种名为碳酸酐酶的酶，它能有效地控制两种化合物间的反应平衡。[5]
碳酸在胃酸的分泌中占了重要的作用；胃壁细胞可以借由主动运输形成钠离子、钾离子浓度差，利用酶从碳酸合成出胃酸的成分之一盐酸。反应过程如下[6]：
- 细胞代谢产生二氧化碳，碳酸酐酶将二氧化碳和水结合成碳酸，碳酸再分解成碳酸氢根离子和氢离子。
- 碳酸氢根离子浓度开始累积，便被酶送出细胞，同时共同运输进氯离子以平衡电荷。碳酸氢根进入胃血管后会造成血液碱性上升，称为碱潮。
- 借由钠离子在细胞外浓度比较大的特性，运输进钠离子的酶也共同运输进更多氯离子。
- 钾钠腺苷三磷酸酶将氢离子主动运输进胃小管，同时将钾离子运进细胞。
- 细胞中累积的钾离子形成浓度差，通过共同运输的酶时也将氯离子共同运输进胃小管；氢离子和氯离子就形成盐酸。
- 钠钾泵将钠离子送出、送进钾离子，以维持电荷平衡。
综合以上步骤，净离子方程式可以写成：
碳酸的酸性
-
- Ka1 = 4.3×10-7 mol/L; pKa1 = 6.37 (25 °C)
-
- Ka2 = 4.8×10-11 mol/L; pKa2 = 10.32 (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。但实际上，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，第一步反应可以记作：
-
- Ka = 4.30×10-7 mol/L; pKa = 6.36
这个值被称为碳酸的离解常数。
纯碳酸
尽管在常规环境下无法单独分离碳酸，不过在特定条件下，纯碳酸有很高的稳定性；例如从宇宙线的光谱可推测，火星极冠中260K的环境下碳酸以气态存在、外太空里的固态水和干冰混合物中可能也存在碳酸[3][7]。由从头计算法推算，只要有至少一个水分子存在，就足以催化气态碳酸分子分解为二氧化碳和水。若没有水，气态碳酸分解反应会很慢，在室温（300K）下的反应半衰期是18万年[3]；不过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[8]。
在120K的低温下，碳酸呈非晶质态，高于200K则会出现“β-相”的碳酸结晶，更高温度下会部分分解，在230–260 K升华。除了以二氧化碳和水反应以外，也能将结合两个自由基（HCO、CO3）制得碳酸，并以红外光谱学、基体分离技术观测[9][7]；其他合成方法，包括在低温下将碳酸氢盐加盐酸或者氢溴酸的水溶液（低温防止碳酸分解）[10]，或者将干冰质子化[11]。
曾有研究声称低温合成出“α-相”的固态碳酸，反应物是碳酸氢钾和盐酸的甲醇溶液[12][13]；然而这项研究结果，受到之后一份2014年的博士论文质疑[14]。透过同位素标记实验，该论文认为产物是碳酸氢甲酯，而凝华的固体可能含有碳酸氢甲酯和二聚体，而不是碳酸[15]；后续的基体分离红外线光谱分析，以及分析透过气态合成、热裂解技术合成的产物，都确认这点[16][17]。不过，碳酸还是可能存在其他不同的同质异形体。一氧化碳可以由羟基自由基氧化而得到碳酸[18]；由这种方式合成的碳酸，是否可被称为“γ-相碳酸”尚无定论。而“β-相碳酸”、“γ-相碳酸”还未经晶体学分析确定结构。
在高压环境
尽管碳酸分子一般在二氧化碳水溶液中所占比例不高，大量分子态的碳酸可以在数十亿帕斯卡（数万标准大气压）的气压下，存在于水溶液；而这种情况可发生在星球内部[19][20]。
参见
参考文献
Wikiwand in your browser!
Seamless Wikipedia browsing. On steroids.
Every time you click a link to Wikipedia, Wiktionary or Wikiquote in your browser's search results, it will show the modern Wikiwand interface.
Wikiwand extension is a five stars, simple, with minimum permission required to keep your browsing private, safe and transparent.
