碳酸

碳酸
File:Carbonic-acid-2D.svg Structural formula File:Carbonic-acid-3D-balls.png Ball-and-stick model
首选IUPAC名 Carbonic acid
别名	二氧化碳水溶液 碳酸氢 羟基甲酸
识别
PubChem	767
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	3.60 (pKa1), 10.32 (pKa2)
[[|附加数据页]]
[[#结构和属性|结构和属性]]	折射率、介电系数等
[[#热力学数据|热力学数据]]	相变数据、固、液、气性质
[[#光谱数据|光谱数据]]	UV-Vis、IR、NMR、MS等
若非注明，所有数据均出自标准状态（25 ℃，100 kPa）下。

碳酸（Template:Langx）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；因此，碳酸是机体内不同二氧化碳状态之间转换的关键形式；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”。

二氧化碳（）溶于水后，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，方程式如下：

<math>\rm CO_2+H_2O \rightleftharpoons H_2CO_3 </math>

该反应在常温下的平衡常数是K_h=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。

生物体内的碳酸

碳酸在生物体内至关重要，代谢和胃酸分泌过程中都需要碳酸。

血液中的碳酸

在哺乳动物的血液中，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（）。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。在肺中，碳酸中的水将被夺走，二氧化碳即从肺部释出。

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的酶，它能有效地控制两种化合物间的反应平衡。

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：

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。
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. 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：

<math>\rm H_2CO_3+Cl^- \rightarrow HCl+{HCO_3}^- </math>

碳酸的酸性

碳酸是一种二元酸，其解离分为两步：

<math>\rm H_2CO_3 \rightleftharpoons {HCO_3}^-+H^+ </math>

K_a1 = 2.5×10^-4 mol/L; pK_a1 = 3.60 (25 °C)

<math>\rm {HCO_3}^- \rightleftharpoons {CO_3}^{2-}+H^+ </math>

K_a2 = 4.8×10^-11 mol/L; pK_a2 = 10.32 (25 °C)

需要注意的是，以上所述值为单个碳酸分子的酸解离常数，其酸性比醋酸和甲酸都要强。但实际上，碳酸分子只出现在二氧化碳与水的平衡系中，其浓度比二氧化碳低得多(其水合常数K_h=1.7×10^-3)，故酸度实际上较低许多，二氧化碳水溶液的平衡可记作：

<math>\rm CO_2+H_2O\rightleftharpoons {HCO_3}^-+H^+ </math>

K_a = K_h×K_a1=4.30×10^-7 mol/L; pK_a = 6.36

这个值被称为二氧化碳水溶液的表观平衡常数。

纯碳酸

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；例如从宇宙线的光谱可推测，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。由从头计算法推算，只要有至少一个水分子存在，就足以催化气态碳酸分子分解为二氧化碳和水。若没有水，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；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。

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、基质隔离技术观测；其他合成方法，包括在低温下将碳酸氢盐加盐酸或者氢溴酸的水溶液（低温防止碳酸分解），或者将干冰质子化。

曾有研究声称低温合成出“α-相”的固态碳酸，反应物是碳酸氢钾和盐酸的甲醇溶液；然而这项研究结果，受到之后一份2014年的博士论文质疑。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；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。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；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

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。

参见

• 碳酸根
• 碳酸盐、碳酸氢盐
• 碳酸酯
• 碳酸的酰胺：氨基甲酸、尿素
• 碳酸的酰卤：碳酰氟、光气
• 无机酸列表
• 碳酸水
• 二氧化碳