碳酸

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號	463-79-6  Y
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。

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。

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」。

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，方程式如下：

${\rm {CO_{2}+H_{2}O\rightleftharpoons H_{2}CO_{3}}}$

該反應在常溫下的平衡常數是K_h=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。

生物體內的碳酸

碳酸在生物體內至關重要，代謝和胃酸分泌過程中都需要碳酸。

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。

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。

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：

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。
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：

${\rm {H_{2}CO_{3}+Cl^{-}\rightarrow HCl+{HCO_{3}}^{-}}}$

碳酸的酸性

碳酸是一種二元酸，其解離分為兩步：

${\rm {H_{2}CO_{3}\rightleftharpoons {HCO_{3}}^{-}+H^{+}}}$

K_a1 = 4.3×10^-7 mol/L; pK_a1 = 6.37 (25 °C)

${\rm {{HCO_{3}}^{-}\rightleftharpoons {CO_{3}}^{2-}+H^{+}}}$

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：

${\rm {CO_{2}+H_{2}O\rightleftharpoons {HCO_{3}}^{-}+H^{+}}}$

K_a = 4.30×10^-7 mol/L; pK_a = 6.36

這個值被稱為碳酸的解離常數。

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；例如從宇宙線的光譜可推測，火星極冠中260K的環境下碳酸以氣態存在、外太空裡的固態水和乾冰混合物中可能也存在碳酸。由從頭計算法推算，只要有至少一個水分子存在，就足以催化氣態碳酸分子分解為二氧化碳和水。若沒有水，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；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。

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、間質隔離技術觀測；其他合成方法，包括在低溫下將碳酸氫鹽加鹽酸或者氫溴酸的水溶液（低溫防止碳酸分解），或者將乾冰質子化。

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；然而這項研究結果，受到之後一份2014年的博士論文質疑。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；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。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；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。

參見

• 碳酸根
• 碳酸鹽、碳酸氫鹽
• 碳酸酯
• 碳酸的酰胺：氨基甲酸、尿素
• 碳酸的酰鹵：碳酰氟、光氣
• 無機酸列表
• 碳酸水
• 二氧化碳