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碳酸

碳酸,是一種二元弱酸,電離常數都很小。但也有認為其為中強酸,因為根據無機酸酸性強弱判斷式(OH)nROm可判斷其酸性與磷酸相似。在常溫、常壓下,二氧化碳飽和溶液的濃度約為0.033mol/L,pH為5.6,pKa=6.37。

H2CO3 (pKa1=6.38,pKa2=10.33,p代表取負常用對數。)飽和碳酸溶液(純CO₂,壓力為1 atm)的pH約為4,而在自然條件下CO₂含量是0.03%,溶解達到飽和時pH=5.6。這也是為什麼定義酸雨為pH小於5.6的雨水的原因。要使PH達到 3.7,可以通過降溫,加壓(實際是提高CO₂濃度)來實現。目前已經製備出純碳酸晶體[1]

理化性質

分子式:H₂CO₃

結構簡式:HO-CO-OH在CO₂溶於水時形成。

純的碳酸以C(OH)4存在是個不穩定的晶體,遇水劇烈分解。

碳酸酸性極低,其飽和水溶液pH約為5.6,正常雨水ph約為5.6就是因為CO2溶於雨水生成碳酸。其水溶液顯酸性故可以使指示劑變色(可

以使石蕊溶液變紅色)。

碳酸是一種二元酸,其電離分為兩步:

H₂CO₃ ⇌ HCO₃ + H Ka1 = 4.2×10^-7 mol/L; pKa1 = 6.38(25 °C)HCO3 ⇌ CO3 + H Ka2 = 5.61×10^-11 mol/L; pKa2 = 10.25 (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。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。

化學方程式

生成和分解

CO2溶於水生成碳酸:CO2+H2O===H2CO3 [2]

碳酸不穩定,在搖晃或加熱時分解為CO2和H2O,方程式為:H2CO3===H2O+CO2↑

複分解反應

在實驗室里,二氧化碳常用稀鹽酸與大理石(或石灰石,主要成分都是碳酸鈣)反應來製取。反應的化學方程式可以表示如下:

CaCO₃+2HCl=CaCl₂+H₂CO₃(兩種化合物互相交換成分)

(碳酸鈣 鹽酸 氯化鈣 碳酸)

碳酸不穩定容易分解成二氧化碳和水 H₂CO₃===H₂O+CO₂↑

總的方程式是:

CaCO₃+2HCl=CaCl₂+H₂O+CO₂↑(反應有氣體和水生成)

該反應符合複分解反應。

特性

會使紫色石蕊試液變成梅紅色,碳酸顯酸性,酸可使紫色石蕊變色。二氧化碳在溶液中大部分是以微弱結合的水合物形式存在,只有一小部分形成碳酸(H₂CO₃)--飽和CO₂溶液中只有1%的CO2與H2O化合成碳酸。在常溫時,CO2∶H2CO3為600∶1。碳酸的熱穩定性很差。碳酸加熱時全部分解並放出二氧化碳。碳酸在鹼的作用下,能生成酸式碳酸鹽M(HCO3)2和碳酸鹽MCO3〔M代表二價金屬)。許多金屬的酸式碳酸鹽的溶解度稍大於正鹽,其溶解度和Pco2(二氧化碳分壓)有關。Pco2大,碳酸鹽溶解於水;Pco2小(或升溫),析出碳酸鹽,自然界的鐘乳石就是這樣形成的。暫時硬水加熱軟化就是因為生成了碳酸鹽沉澱。所有的酸式碳酸鹽受熱均分解為CO2和相應的正鹽。 碳酸是二氧化碳氣體溶於水而生成的酸。它的酸性很弱,且極為不穩定,溫度稍高一些,便會分解成二氧化碳和水。碳酸和我們的日常生活有着密切的關係。我們喝的汽水就是一種碳酸飲料。

在製造汽水時,要在加壓情況下把二氧化碳氣體溶解在水裡,再往汽水裡加糖、檸檬酸以及果汁或香精,在加壓下灌入汽水瓶中。當我們喝汽水時,汽水從瓶子裡倒出來,外界壓強(指空氣壓強和人體內的壓強)突然降低,二氧化碳在水中的溶解度隨着壓強降低而變小。於是,喝入體內汽水中的二氧化碳便成為氣體從水中逸出,並從口腔中排出,這個過程會把人體內的熱量帶走,這就是喝汽水感到涼爽的原因。

已製備出純碳酸(碳酸晶體),但條件非常苛刻,要保存在絕對無水的條件下,不然純碳酸會劇烈分解。

危害

有時,碳酸也會給我們日常生活帶來麻煩。地面上的二氧化碳氣體溶於水,生成碳酸。當地面水滲入地下時,碳酸也被帶到地下,並與地下石灰岩里不溶於水的碳酸鈣發生化學反應,生成可溶於水的碳酸氫鈣。含有碳酸氫鈣的水稱為"硬水",因此地下水都屬於"硬水"。江河裡的水不含碳酸氫鈣,不是"硬水"(硬水是指有較多鈣離子和鎂離子等金屬陽離子,它們的碳酸鹽是不可溶解於水的)。

有些地方所用的自來水的水源是地下水,在煮開水時,水中的碳酸氫鈣受熱分解成碳酸鈣、二氧化碳和水。碳酸鈣是不溶解在水中的沉澱物,它沉積在水壺和鍋爐的壁上,天長日久便成為一層白色的很堅硬的物質,稱為鍋垢(俗稱水鹼)。這層碳酸鈣的導熱性很差,因此燒水時會浪費燃料。如果鍋爐和管道中的鍋垢太厚,還有發生爆炸的危險。所以,工業生產中總是把"硬水"先用化學方法除去或減少碳酸鈣,使它軟化以後再用。

有機與無機

碳酸是有機物還是無機物是科學界爭執了很長時間的話題。由於同一個碳原子上連接了兩個羥基,碳酸不穩定,更多顯現無機物的性質,定義碳酸為無機二元弱酸,但碳酸又因含有羧基(-COOH)而能反映一些羧酸的性質。如能和醇發生酯化反應,

如:HO-COOH + H-O-C2H5 → HO-COOC2H5 + H2O

HO-COOC2H5 + H-O-C2H5 → C2H5OCOOC2H5 + H2O

因為碳酸的兩個羥基都結在羰基上,故相當於二元羧酸。可以和二元醇發生酯化反應生成環酯和聚酯。

這些都是有機酸的性質。

科學家仍然對碳酸是否是有機酸爭執。有科學家認為如能製得碳酸的濃溶液,那麼這種碳酸具有一切二元羧酸的性質。

無機碳化合物

CO2 CO CO3 CO4 C2O2 C2O C3O2 C5O2 CS2 OCS C3S2 CSe2 金屬羰基配合物 碳酸 碳酸氫鹽 碳酸鹽 硫代碳酸 氰化物 氰酸鹽 硫氰酸鹽 異硫氰酸鹽 碳化物 石墨層間化合物 化學名詞 阿累尼烏斯方程 氨 螯合劑 螯合物 螯合物 半反應 半微量分析 苯 比色分析 變異係數 標定 標準電極電勢 標準曲線 標準溶液 標準自由能變 表徵 查依采夫規則 產物 常規分析 常量分析 沉澱反應 陳化 臭氧 船型構象 醇 磁性 次序規則 催化 催化反應 催化劑 單分子親核取代反應 單分子消除反應 單色器 氮族元素 滴定 滴定度 滴定分析 滴定誤差 滴定終點 狄爾斯阿爾得反應 碘量法 電池電動勢 電負性 電荷數 電化學分析 電極電勢 電解 電解質 電離 電離能 電子 電子的波動性 電子構型 電子自旋 定量分析 定性分析 對映體 多電子原子 多相離子平衡 多原子分子 二氧化碳 反應的活化能  反應方向 反應機理 反應級數 反應歷程 反應熱 反應速率 反應速率 范德華方程 芳香性 芳香族化合物 放射性 非金屬 非晶體 非均相催化劑 菲舍爾投影式 費林試劑 分光光度法  分析化學 分子軌道 分子軌道理論 分子間力 分子間作用力 分子空間構型 酚酞 伏特電池 副反應係數 傅列德爾克拉夫茨反應 蓋斯定律 高錳酸鉀 高錳酸鉀  格利雅試劑 汞 共沉澱 共軛二烯烴 共軛雙鍵 共軛酸鹼對 共軛酸鹼對 共軛體系 共軛效應 共價鍵 共價鍵 共性 構象異構體 構象 構型 孤對電子 官能團 光源 硅的存在和製備 硅酸 硅酸鹽 軌道 軌道能量 軌道重疊 過程 過渡金屬 過濾 過失誤差 過氧化氫 過氧化物和超氧化物 過氧化物效應 耗氧量 合金 核磁共振 核化學 核聚變 核裂變 紅外光譜 紅移 互變異構現象 化合物 化學反應 化學反應的通式 化學方程式配平 化學分析 化學計量點 化學位移 化學平衡 化學需氧量  化學因數 還原 緩衝容量 緩衝溶液 緩衝溶液 活化能 活性中間體 霍夫曼規則 基準物質 極性分子 繼沉澱 加成反應 甲基橙 價層電子對互斥理論 價鍵理論 價鍵理論 檢測系統   鹼金屬 鹼土金屬 鍵長 鍵級 鍵角 鍵矩 鍵能 結構異構 解蔽 解離常數 金屬 金屬鍵 金屬晶體 金屬離子的水解 金屬指示劑 晶體結構 精密度 聚合物 均相催化劑 開鏈族化合物 凱庫勒結構式 坎尼扎羅反應 克萊門森還原 克萊森酯縮合反應 克萊森重排 鑭系元素 累積穩定常數 離去基團 離子的沉澱與分離 離子的選擇沉澱 離子方程式配平 離子晶體 離子偶極力 理想氣體狀態方程分壓 立體化學 立體異構 立體異構體 量子數 列·沙特列原理 磷酸 磷酸鹽 零水準 硫化物 盧卡斯試劑 鹵代烴 鹵仿反應 鹵化磷 鹵化物 鹵素 路易斯酸鹼 氯化物 麥克爾反應 醚 摩爾吸光係數  能斯特方程 紐曼投影式 濃度 偶極矩 偶然誤差 泡林不相容原理 配離子的形成 配位化合物 配位數 配位數 配位體 配位原子 氫化反應 硼烷 偏差 硼族元素 平衡常數 親電加成 親電試劑 親電性 親核加成 親核取代反應 親核試劑 氫化物 氫鍵 氫氧化物 氫原子的波爾模型 傾瀉法  球密堆積 區元素 醛 熱力學第二定律 熱力學第一定律 熱與功 溶度積常數 溶解度 溶解氧 色譜分析 色散 熵 熵變 生成焓 石墨 試劑 鈰量法 手性分子 雙分子親核取代反應 雙分子消除反應 雙原子分子 水的離子積 水合氫離子 水合質子 水離解 順反異構 速率常數 酸和鹼 酸鹼 酸鹼的相對強度 酸鹼滴定法 酸鹼指示劑 酸鹼質子理論 酸效應係數 羧酸 羧酸衍生物 碳負離子 碳化物 碳水化合物 碳酸 碳酸鹽 碳正離子 碳族元素 鐵 同分異構體 同分異構現象 同離子效應 同位素 銅 酮 透光率 瓦爾登反轉 微量分析 位置異構體 物質的量 吸電子基 吸光率 吸熱與發熱過程 吸收池 烯丙基正離子 烯烴 稀有氣體 稀有氣體化合物 系統命名法 系統誤差 系統與環境 顯著性檢驗 線光譜 相 相對標準偏差 相轉移催化作用 消除反應 硝酸 校正曲線  鋅 興斯堡試驗 行 形態分析 休克爾規則 旋光性 鹽 掩蔽 氧化 氧化還原電對 氧化還原反應 氧化還原指示 氧化劑和還原劑 氧化數 氧化物 氧族元素 一氧化碳 儀器分析 乙醇 乙二胺四乙酸 乙醚 乙醛 乙炔 乙酸 乙烯 乙酰化劑 異構現象 銀鏡反應 銀量法 有機化學 有效核電荷 有效數字 右旋 誘導效應 元素的周期律 原電池 原子半徑 原子軌道 原子晶體 原子數 雜化 雜化軌道 雜化軌道 雜環化合物 在線分析 真實氣體 正態分布 脂肪族化合物 值 質量數 質子平衡 質子轉移反應 置信區間 置信水平 中心離子 仲裁分析 重鉻酸鉀 重鉻酸鉀 重鍵 重量分析法 周期表 狀態與狀態函數 準確度 灼燒 紫移 自發過程 總穩定常數 族 左旋

參考來源