碳酸

碳酸（英語：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。 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；在此应用上，也稱“揮發酸”（volatile acid）或“呼吸酸”，而相对于“代谢酸”或“固定酸”。 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，方程式如下： C O 2 + H 2 O ⇌ H 2 C O 3 {\displaystyle {\rm {CO_{2}+H_{2}O\rightleftharpoons H_{2}CO_{3}}}} 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。 碳酸在生物体内至关重要，代谢和胃酸分泌过程中都需要碳酸。 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。 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。 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： 細胞代謝產生二氧化碳，碳酸酐酶將二氧化碳和水結合成碳酸，碳酸再分解成碳酸氫根離子和氫離子。 碳酸氫根離子濃度開始累積，便被酶送出細胞，同時共同運輸進氯離子以平衡電荷。碳酸氫根進入胃血管後會造成血液鹼性上升，稱為鹼潮（英语：Alkaline tide）。 藉由鈉離子在細胞外濃度比較大的特性，運輸進鈉離子的酶也共同運輸進更多氯離子。 鉀鈉腺苷三磷酸酶（英语：Hydrogen potassium ATPase）將氫離子主動運輸進胃小管，同時將鉀離子運進細胞。 細胞中累積的鉀離子形成濃度差，通過共同運輸的酶時也將氯離子共同運輸進胃小管；氫離子和氯離子就形成鹽酸。 鈉鉀幫浦將鈉離子送出、送進鉀離子，以維持電荷平衡。 綜合以上步驟，淨離子方程式可以寫成： H 2 C O 3 + C l − → H C l + H C O 3 − {\displaystyle {\rm {H_{2}CO_{3}+Cl^{-}\rightarrow HCl+{HCO_{3}}^{-}}}} 碳酸是一種二元酸，其解離分為兩步： H 2 C O 3 ⇌ H C O 3 − + H + {\displaystyle {\rm {H_{2}CO_{3}\rightleftharpoons {HCO_{3}}^{-}+H^{+}}}} Ka1 = 4.3×10-7 mol/L; pKa1 = 6.37 (25 °C) H C O 3 − ⇌ C O 3 2 − + H + {\displaystyle {\rm {{HCO_{3}}^{-}\rightleftharpoons {CO_{3}}^{2-}+H^{+}}}} Ka2 = 4.8×10-11 mol/L; pKa2 = 10.32 (25 °C) 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： C O 2 + H 2 O ⇌ H C O 3 − + H + {\displaystyle {\rm {CO_{2}+H_{2}O\rightleftharpoons {HCO_{3}}^{-}+H^{+}}}} Ka = 4.30×10-7 mol/L; pKa = 6.36 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；例如從宇宙線的光谱可推測，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。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；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。 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（英语：Matrix isolation）技術觀測；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），或者將乾冰質子化。 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；然而這項研究結果，受到之後一份2014年的博士論文質疑。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；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。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；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。 化学主题 碳酸根 碳酸盐、碳酸氢盐 碳酸酯 碳酸的酰胺：氨基甲酸、尿素 碳酸的酰卤：碳酰氟、光气 无机酸列表 碳酸水 二氧化碳 2.1 Acid-Base Balance. www.anaesthesiamcq.com. [2021-09-22]. （原始内容存档于2017-12-31）.  Greenwood, Norman Neill; Earnshaw, Alan. Chemistry of the elements. 2016: 310. ISBN 978-0-7506-3365-9. OCLC 1040112384 （英语）.  Loerting, Thomas; Tautermann, Christofer; Kroemer, Romano T.; Kohl, Ingrid; Hallbrucker, Andreas; Mayer, Erwin; Liedl, Klaus R.; Loerting, Thomas; Tautermann, Christofer; Kohl, Ingrid; Hallbrucker, Andreas; Erwin, Mayer; Liedl, Klaus R. On the Surprising Kinetic Stability of Carbonic Acid (H2CO3). Angewandte Chemie International Edition. 2000, 39 (5): 891–894. PMID 10760883. doi:10.1002/(SICI)1521-3773(20000303)39:5<891::AID-ANIE891>3.0.CO;2-E.  "excretion." Encyclopædia Britannica. Encyclopædia Britannica Ultimate Reference Suite. Chicago: Encyclopædia Britannica, 2010. Badger, M R; Price, G D. The Role of Carbonic Anhydrase in Photosynthesis. Annual Review of Plant Physiology and Plant Molecular Biology. 1994-06, 45 (1): 369–392 [2021-09-22]. ISSN 1040-2519. doi:10.1146/annurev.pp.45.060194.002101. （原始内容存档于2021-11-17） （英语）.  黃賢齊. 營養師高考專技人員: 專業科目六合一 : 速成焦點+歷屆題庫. 2020 [2021-09-22]. ISBN 978-986-275-658-4. OCLC 1260646567. （原始内容存档于2021-11-17） （中文）.  Bernard, Jürgen; Huber, Roland G.; Liedl, Klaus R.; Grothe, Hinrich; Loerting, Thomas. Matrix Isolation Studies of Carbonic Acid—The Vapor Phase above the β-Polymorph. Journal of the American Chemical Society. 2013-05-22, 135 (20): 7732–7737 [2021-09-22]. ISSN 0002-7863. PMC 3663070 . PMID 23631554. doi:10.1021/ja4020925. （原始内容存档于2021-11-17） （英语）.  de Marothy, Sven A. Autocatalytic decomposition of carbonic acid. International Journal of Quantum Chemistry. 2013-10-15, 113 (20): 2306–2311. doi:10.1002/qua.24452 （英语）.  Moore, M.H.; Khanna, R.K. Infrared and mass spectral studies of proton irradiated H2O + CO2 ice: Evidence for carbonic acid. Spectrochimica Acta Part A: Molecular Spectroscopy. 1991-01, 47 (2): 255–262 [2021-09-22]. Bibcode:1991AcSpA..47..255M. doi:10.1016/0584-8539(91)80097-3. （原始内容存档于2021-11-17） （英语）.  Hage, Wolfgang; Hallbrucker, Andreas; Mayer, Erwin. A polymorph of carbonic acid and its possible astrophysical relevance. Journal of the Chemical Society, Faraday Transactions. 1995, 91 (17): 2823. Bibcode:1995JCSFT..91.2823H. ISSN 0956-5000. doi:10.1039/ft9959102823 （英语）.  Brucato, J; Palumbo, M; Strazzulla, G. Carbonic Acid by Ion Implantation in Water/Carbon Dioxide Ice Mixtures☆. Icarus. 1997-01, 125 (1): 135–144 [2021-09-22]. doi:10.1006/icar.1996.5561. （原始内容存档于2021-11-17） （英语）.  Hage, Wolfgang; Hallbrucker, Andreas; Mayer, Erwin. Carbonic acid: synthesis by protonation of bicarbonate and FTIR spectroscopic characterization via a new cryogenic technique. Journal of the American Chemical Society. 1993-09, 115 (18): 8427–8431 [2021-09-22]. Bibcode:1993JAChS.115.8427H. ISSN 0002-7863. doi:10.1021/ja00071a061. （原始内容存档于2021-11-17） （英语）.  Press release: International First: Gas-phase Carbonic Acid Isolated. Technische Universität Wien. 11 January 2011 [9 August 2017]. （原始内容存档于9 August 2017） （英语）.  Bernard, Jürgen. Solid and Gaseous Carbonic Acid (PDF) (Ph.D.论文). University of Innsbruck. January 2014 [2021-06-05]. （原始内容存档 (PDF)于2021-11-17）.  Bernard, Jürgen; Seidl, Markus; Kohl, Ingrid; Liedl, Klaus R.; Mayer, Erwin; Gálvez, Óscar; Grothe, Hinrich; Loerting, Thomas. Spectroscopic Observation of Matrix-Isolated Carbonic Acid Trapped from the Gas Phase. Angewandte Chemie International Edition. 2011-02-18, 50 (8): 1939–1943 [2021-09-22]. PMID 21328675. doi:10.1002/anie.201004729. （原始内容存档于2021-11-12） （英语）.  Köck, Eva‐Maria; Bernard, Jürgen; Podewitz, Maren; Dinu, Dennis F.; Huber, Roland G.; Liedl, Klaus R.; Grothe, Hinrich; Bertel, Erminald; Schlögl, Robert. Alpha‐Carbonic Acid Revisited: Carbonic Acid Monomethyl Ester as a Solid and its Conformational Isomerism in the Gas Phase. Chemistry – A European Journal. 2020-01-02, 26 (1): 285–305. ISSN 0947-6539. PMC 6972543 . PMID 31593601. doi:10.1002/chem.201904142 （英语）.  Reisenauer, Hans Peter; Wagner, J. Philipp; Schreiner, Peter R. Gas-Phase Preparation of Carbonic Acid and Its Monomethyl Ester. Angewandte Chemie International Edition. 2014-10-27, 53 (44): 11766–11771 [2021-09-22]. PMID 25196920. doi:10.1002/anie.201406969. （原始内容存档于2021-11-12） （英语）.  Oba, Yasuhiro; Watanabe, Naoki; Kouchi, Akira; Hama, Tetsuya; Pirronello, Valerio. FORMATION OF CARBONIC ACID (H2CO3) BY SURFACE REACTIONS OF NON-ENERGETIC OH RADICALS WITH CO MOLECULES AT LOW TEMPERATURES. The Astrophysical Journal. 2010-10-20, 722 (2): 1598–1606 [2021-09-22]. ISSN 0004-637X. doi:10.1088/0004-637X/722/2/1598. （原始内容存档于2021-03-03）.  Wang, Hongbo; Zeuschner, Janek; Eremets, Mikhail; Troyan, Ivan; Willams, Jonathan. Stable solid and aqueous H2CO3 from CO2 and H2O at high pressure and high temperature. Scientific Reports. 2016-04, 6 (1): 19902 [2021-09-22]. Bibcode:2016NatSR...619902W. ISSN 2045-2322. PMC 4728613 . PMID 26813580. doi:10.1038/srep19902. （原始内容存档于2022-01-06） （英语）.  Stolte, Nore; Pan, Ding. Large Presence of Carbonic Acid in CO2 -Rich Aqueous Fluids under Earth’s Mantle Conditions. The Journal of Physical Chemistry Letters. 2019-09-05, 10 (17): 5135–5141 [2021-09-22]. ISSN 1948-7185. PMID 31411889. S2CID 195791860. arXiv:1907.01833 . doi:10.1021/acs.jpclett.9b01919. （原始内容存档于2021-11-17） （英语）.