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。

碳酸
Structural formula Ball-and-stick model
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	O=C(O)O
InChI	1/CH2O3/c2-1(3)4/h(H2,2,3,4)
InChIKey	BVKZGUZCCUSVTD-UHFFFAOYAU
ChEBI	28976
KEGG	C01353
性质
化学式	H2CO3
摩尔质量	62.03 g·mol⁻¹
外观	無色水溶液
密度	1.668 g/cm^3
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；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”^[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：

${\displaystyle {\rm {CO_{2}+H_{2}O\rightleftharpoons H_{2}CO_{3}}}}$

該反應在常溫下的平衡常數是K_h=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。^[2][3]

生物体内的碳酸

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。

血液中的碳酸

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。^[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]

碳酸在胃酸分泌中的作用

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]：

1. 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。
2. 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）。
3. 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。
4. 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。
5. 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。
6. 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：

${\displaystyle {\rm {H_{2}CO_{3}+Cl^{-}\rightarrow HCl+{HCO_{3}}^{-}}}}$ 

碳酸的酸性

碳酸是一種二元酸，其电离分為兩步：

${\displaystyle {\rm {H_{2}CO_{3}\rightleftharpoons {HCO_{3}}^{-}+H^{+}}}}$ 

K_a1 = 4.3×10^-7 mol/L; pK_a1 = 6.37 (25 °C)

${\displaystyle {\rm {{HCO_{3}}^{-}\rightleftharpoons {CO_{3}}^{2-}+H^{+}}}}$ 

K_a2 = 4.8×10^-11 mol/L; pK_a2 = 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：

${\displaystyle {\rm {CO_{2}+H_{2}O\rightleftharpoons {HCO_{3}}^{-}+H^{+}}}}$ 

K_a = 4.30×10^-7 mol/L; pK_a = 6.36

這個值被稱為碳酸的解離常數。

純碳酸

碳酸除了由二氧化碳和水形成之外，也可以由兩個自由基（HCO、CO₃）結合而成^[7]。另外一種方式是將碳酸氫鹽加鹽酸或者氫溴酸的水溶液合成；這個反應要在低溫下進行，以免產物立刻分解為二氧化碳和水^[8]。在高於120K的溫度可以形成非晶質碳酸，高於200K則會出現「β-相」的碳酸結晶，可由紅外光譜學測出。β-相碳酸的光譜，可以確認它就是二氧化碳和水反應的副產物^[7]；它可在230–260 K昇華而大部分不發生分解。一方面，間質隔離（英语：Matrix isolation）的紅外線光譜技術，可以測量碳酸分子的訊號，精確度到一個分子^[9]。

碳酸可以由混合二氧化碳和水形成形成，又或者將乾冰質子化來合成^[10]。由宇宙線的情況因此可以推測，在火星上或者外太空裡的固態水和乾冰混合物中，可能存在碳酸^[3]。碳酸的穩定性比預期中高，它能在比較高溫（260K）存在，或甚至以氣態存在於火星極冠^[9]。由從頭計算法推算，只要有單獨一個水分子存在，就足以催化氣態碳酸分子分解為二氧化碳和水；若沒有水，分解反應會很慢，在300K、氣態下的反應半衰期是18萬年^[3]。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^[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物，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]。儘管有過去如此曲折的研究紀錄，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」還未經晶體學分析以確定其結構。

在高壓環境

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]。

参考文献

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参见

•  化学主题

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