跳转到内容

碳酸

本页使用了标题或全文手工转换
维基百科,自由的百科全书
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  checkY
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 无色水溶液
密度 1.668 g/cm3
pKa 6.367 (pKa1), 10.32 (pKa2)
若非注明,所有数据均出自标准状态(25 ℃,100 kPa)下。

碳酸(英语: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,也称“挥发酸”(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;因此室温下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]

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][4]

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,它能有效地控制两种化合物间的反应平衡。[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[6]

  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

[编辑]

碳酸是一种二元酸,其离解分为两步:

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离解常数

纯碳酸

[编辑]

尽管在常规环境下无法单独分离碳酸,不过在特定条件下,纯碳酸有很高的稳定性;例如从宇宙线光谱可推测,火星极冠中260K的环境下碳酸以气态存在、外太空里的固态水和干冰混合物中可能也存在碳酸[3][7]。由从头计算法推算,只要有至少一个分子存在,就足以催化气态碳酸分子分解为二氧化碳和水。若没有水,气态碳酸分解反应会很慢,在室温(300K)下的反应半衰期是18万年[3];不过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[8]

在120K的低温下,碳酸呈非晶质态,高于200K则会出现“β-相”的碳酸结晶,更高温度下会部分分解,在230–260 K升华。除了以二氧化碳和水反应以外,也能将结合两个自由基(HCO、CO3)制得碳酸,并以红外光谱学基体分离英语Matrix isolation技术观测[9][7];其他合成方法,包括在低温下将碳酸氢盐盐酸或者氢溴酸的水溶液(低温防止碳酸分解)[10],或者将干冰质子化[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体,而不是碳酸[15];后续的基体分离红外线光谱分析,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]。不过,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”还未经晶体学分析确定结构。

在高压环境

[编辑]

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]

参见

[编辑]

参考文献

[编辑]
  1. ^ 1.0 1.1 2.1 Acid-Base Balance. www.anaesthesiamcq.com. [2021-09-22]. (原始内容存档于2017-12-31). 
  2. ^ 2.0 2.1 Greenwood, Norman Neill; Earnshaw, Alan. Chemistry of the elements. 2016: 310. ISBN 978-0-7506-3365-9. OCLC 1040112384 (英语). 
  3. ^ 3.0 3.1 3.2 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. 
  4. ^ "excretion." Encyclopædia Britannica. Encyclopædia Britannica Ultimate Reference Suite. Chicago: Encyclopædia Britannica, 2010.
  5. ^ 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). 
  6. ^ 黄贤齐. 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). 
  7. ^ 7.0 7.1 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. 2013-05-22, 135 (20): 7732–7737 [2021-09-22]. ISSN 0002-7863. PMC 3663070可免费查阅. PMID 23631554. doi:10.1021/ja4020925. (原始内容存档于2021-11-17) (英语). 
  8. ^ 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). 
  9. ^ 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). 
  10. ^ 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). 
  11. ^ 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). 
  12. ^ 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). 
  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 [2021-06-05]. (原始内容存档 (PDF)于2021-11-17). 
  15. ^ 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). 
  16. ^ 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可免费查阅. PMID 31593601. doi:10.1002/chem.201904142 (英语). 
  17. ^ 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). 
  18. ^ 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). 
  19. ^ 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可免费查阅. PMID 26813580. doi:10.1038/srep19902. (原始内容存档于2022-01-06) (英语). 
  20. ^ 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可免费查阅. doi:10.1021/acs.jpclett.9b01919. (原始内容存档于2021-11-17) (英语).