碳酸
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。
| 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。 | |||
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
血液中的碳酸
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
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
- 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
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[7]。另外一種方式是將碳酸氫鹽加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[8]。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[7]；它可在230–260 K昇華而大部分不發生分解。一方面，間質隔離的紅外線光譜技術，可以測量碳酸分子的訊號，精確度到一個分子[9]。
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[10]。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[3]。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[9]。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[3]。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
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]。
