碳酸
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碳酸 | |||
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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 |
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InChI |
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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/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。 |
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”[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
[编辑]血液中的碳酸
[编辑]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
[编辑]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]:
- 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。
- 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:
碳酸的酸性
[编辑]-
- 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:
-
- Ka = 4.30×10-7 mol/L; pKa = 6.36
這個值被稱為碳酸的解離常數。
純碳酸
[编辑]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[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。
在高壓環境
[编辑]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]。
参见
[编辑]参考文献
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