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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 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,所有数据均出自一般条件(25 ℃,100 kPa)下。

碳酸英语:Carbonic acid),原来也称挥发酸(Volatile acid)和呼吸酸(Respiratory acid),[1] 化学式为H2CO3,是的一种。二氧化碳CO2)溶于后,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Kh=1.70×10−3;因此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)。

碳酸是无机物

生物体内的碳酸

碳酸在生物体内至关重要,代谢胃酸分泌过程中都需要碳酸。

血液中的碳酸

哺乳动物血液中,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。在中,碳酸中的水将被夺走,二氧化碳即从肺部释出。[1] [3]

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英语Carbonic anhydrase,它能有效地控制两种化合物间的反应平衡。[4]

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[5]

  1. 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
  2. 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,称为碱潮英语Alkaline tide
  3. 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。
  4. 钾钠腺苷三磷酸酶英语Hydrogen potassium ATPase将氢离子主动运输进胃小管,同时将钾离子运进细胞。
  5. 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。
  6. 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

碳酸是一种二元酸,其电离分为两步:

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解离常数

纯碳酸

碳酸除了由二氧化碳和水形成之外,也可以由两个自由基(HCO、CO3)结合而成[6]。另外一种方式是将碳酸氢盐盐酸或者氢溴酸的水溶液合成;这个反应要在低温下进行,以免产物立刻分解为二氧化碳和水[7]。在高于120K的温度可以形成非晶质碳酸,高于200K则会出现“β-相”的碳酸结晶,可由红外光谱学测出。β-相碳酸的光谱,可以确认它就是二氧化碳和水反应的副产物[6];它可在230–260 K升华而大部分不发生分解。一方面,间质隔离英语Matrix isolation的红外线光谱技术,可以测量碳酸分子的讯号,精确度到一个分子[8]

碳酸可以由混合二氧化碳和水形成形成,又或者将干冰质子化来合成[9]。由宇宙线的情况因此可以推测,在火星上或者外太空里的固态水和干冰混合物中,可能存在碳酸[10]。碳酸的稳定性比预期中高,它能在比较高温(260K)存在,或甚至以气态存在于火星极冠[8]。由从头计算法推算,只要有单独一个水分子存在,就足以催化气态碳酸分子分解为二氧化碳和水;若没有水,分解反应会很慢,在300K、气态下的反应半衰期是18万年[10]。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[11]

曾有研究声称低温合成出“α-相”的固态碳酸,反应物是碳酸氢钾盐酸甲醇溶液[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物,而不是碳酸[15];后续的间质隔离红外线光谱分析,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]。尽管有过去如此曲折的研究纪录,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”还未经晶体学分析以确定其结构。

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]

参考文献

  1. ^ 1.0 1.1 Acid-Base Physiology 2.1 - Acid-Base Balance页面存档备份,存于互联网档案馆) by Kerry Brandis
  2. ^ Greenwood, Norman Neill; Earnshaw, Alan. Chemistry of the elements. 2016: 310. ISBN 978-0-7506-3365-9. OCLC 1040112384 (英语).
  3. ^ "excretion." Encyclopædia Britannica. Encyclopædia Britannica Ultimate Reference Suite. Chicago: Encyclopædia Britannica, 2010.
  4. ^ Badger MR, Price GD. The role of carbonic anhydrase in photosynthesis. Annu. Rev. Plant Physiol. Plant Mol. Bio. 1994, 45: 369–392. doi:10.1146/annurev.pp.45.060194.002101.
  5. ^ 黄贤齐. 營養師專業科目六合一 速成焦點+歷屆題庫(上) (PDF). 宏典文化. 2020: 109:9 [2021-06-07]. ISBN 9789862756584.
  6. ^ 6.0 6.1 M. H. Moore; R. K. Khanna. Infrared and mass spectral studies of proton irradiated H2O + CO2 ice: Evidence for carbonic acid. Spectrochimica Acta Part A. 1990, 47 (2): 255–262. Bibcode:1991AcSpA..47..255M. doi:10.1016/0584-8539(91)80097-3.
  7. ^ 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. doi:10.1039/ft9959102823.
  8. ^ 8.0 8.1 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. 14 May 2013, 135 (20): 7732–7737. PMC 3663070. PMID 23631554. doi:10.1021/ja4020925可免费使用.
  9. ^ Brucato, J; Palumbo, M; Strazzulla, G. Carbonic Acid by Ion Implantation in Water/Carbon Dioxide Ice Mixtures. Icarus. January 1997, 125 (1): 135–144. doi:10.1006/icar.1996.5561.
  10. ^ 10.0 10.1 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). Angew. Chem. Internat. Edn. 2000, 39 (5): 891–894. doi:10.1002/(SICI)1521-3773(20000303)39:5<891::AID-ANIE891>3.0.CO;2-E.
  11. ^ de Marothy, S. A. Autocatalytic decomposition of carbonic acid. Int. J. Quantum Chem. 2013, 113 (20): 2306–2311. doi:10.1002/qua.24452.
  12. ^ Hage, W.; Hallbrucker, A.; Mayer, E. Carbonic Acid: Synthesis by Protonation of Bicarbonate and FTIR Spectroscopic Characterization Via a New Cryogenic Technique. J. Am. Chem. Soc. 1993, 115 (18): 8427–8431. Bibcode:1993JAChS.115.8427H. doi:10.1021/ja00071a061.
  13. ^ 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).
  14. ^ Bernard, Jürgen. Solid and Gaseous Carbonic Acid (PDF) (Ph.D.论文). University of Innsbruck. January 2014.
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  20. ^ Stolte, Nore; Pan, Ding. Large presence of carbonic acid in CO2-rich aqueous fluids under Earth's mantle conditions (PDF). The Journal of Physical Chemistry Letters. 4 July 2019, 10 (17): 5135–5141 [24 March 2021]. PMID 31411889. S2CID 195791860. arXiv:1907.01833. doi:10.1021/acs.jpclett.9b01919.

参见


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