碳酸

二元无机弱酸

碳酸英語:Carbonic acid),原來也稱揮發酸(Volatile acid)和呼吸酸(Respiratory acid),[1] 化學式為H2CO3,是的一種。二氧化碳CO2)溶於後,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:

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 無色水溶液
密度 1.668 g/cm3
pKa 6.367 (pKa1), 10.32 (pKa2)
若非注明,所有数据均出自一般条件(25 ℃,100 kPa)下。

該反應在常溫下的平衡常數Kh=1.70×10−3;因此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)。

碳酸是无机物

生物体内的碳酸编辑

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。

血液中的碳酸编辑

哺乳動物血液中,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。在中,碳酸中的水將被奪走,二氧化碳即從肺部釋出。[1] [3]

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英语Carbonic anhydrase,它能有效地控制兩種化合物間的反應平衡。[4]

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[5]

  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:

 

碳酸的酸性编辑

碳酸是一種二元酸,其电离分為兩步:

 
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

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[6]。另外一種方式是將碳酸氫鹽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[7]。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[6];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[8]

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[9]。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[10]。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[8]。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[10]。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,反應物是碳酸氫鉀鹽酸甲醇溶液[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]

参考文献编辑

  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. 
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  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. 
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  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. 
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  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. 
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参见编辑