碳酸

二元无机弱酸

碳酸(英語:Carbonic acid)在化學上是一種二元酸(dibasic acid),化學式為H2CO3,溶於水而呈弱酸性。

碳酸
Structural formula
Ball-and-stick model
IUPAC名
Carbonic acid
別名 二氧化碳水溶液
碳酸氫
羥基甲酸
識別
CAS編號 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
性質
化學式 H2CO3
摩爾質量 62.03 g·mol⁻¹
外觀 無色水溶液
密度 1.668 g/cm3
pKa 6.367 (pKa1), 10.32 (pKa2)
若非註明,所有數據均出自標準狀態(25 ℃,100 kPa)下。

在生物化學及生理學上,「碳酸」這個名稱常用於二氧化碳的水溶液,它在碳酸氫鹽緩衝系統中起重要作用,用於維持酸鹼平衡;在此應用上,也稱「揮發酸」(volatile acid)或「呼吸酸」,而相對於「代謝酸」或「固定酸」[1]

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:

該反應在常溫下的平衡常數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)。碳酸是無機化合物

純碳酸只能在−80 °C下製備。碳酸分子在水存在下會迅速分解成二氧化碳和水,但如果沒有水,純碳酸出乎意料能在室溫下穩定存在。[2][3]

生物體內的碳酸

碳酸在生物體內至關重要,代謝胃酸分泌過程中都需要碳酸。

血液中的碳酸

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][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,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佔了重要的作用;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,稱為鹼潮英語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語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. 鈉鉀泵將鈉離子送出、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

碳酸是一種二元酸,其離解分為兩步:

 
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離解常數

純碳酸

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;例如從宇宙線光譜可推測,火星極冠中260K的環境下碳酸以氣態存在、外太空裏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英語Matrix isolation技術觀測[9][7];其他合成方法,包括在低溫下將碳酸氫鹽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

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]

參見

參考文獻

  1. ^ 1.0 1.1 2.1 Acid-Base Balance. www.anaesthesiamcq.com. [2021-09-22]. (原始內容存檔於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 (英語). 
  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. (原始內容存檔於2021-11-17) (英語). 
  6. ^ 黃賢齊. 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. (原始內容存檔於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 . PMID 23631554. doi:10.1021/ja4020925. (原始內容存檔於2021-11-17) (英語). 
  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 (英語). 
  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. (原始內容存檔於2021-11-17) (英語). 
  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 (英語). 
  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. (原始內容存檔於2021-11-17) (英語). 
  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. (原始內容存檔於2021-11-17) (英語). 
  13. ^ Press release: International First: Gas-phase Carbonic Acid Isolated. Technische Universität Wien. 11 January 2011 [9 August 2017]. (原始內容存檔於9 August 2017) (英語). 
  14. ^ Bernard, Jürgen. Solid and Gaseous Carbonic Acid (PDF) (Ph.D.論文). University of Innsbruck. January 2014 [2021-06-05]. (原始內容存檔 (PDF)於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. (原始內容存檔於2021-11-12) (英語). 
  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 . PMID 31593601. doi:10.1002/chem.201904142 (英語). 
  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. (原始內容存檔於2021-11-12) (英語). 
  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. (原始內容存檔於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 . PMID 26813580. doi:10.1038/srep19902. (原始內容存檔於2022-01-06) (英語). 
  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 . doi:10.1021/acs.jpclett.9b01919. (原始內容存檔於2021-11-17) (英語).