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碳酸西方舊稱「空氣酸」,化學式H2CO3,是酸的一種,為二氧化碳溶於水生成的二元弱酸。在常溫、常壓下,二氧化碳飽和溶液的濃度約為0.033Μ,pH為4。二氧化碳在溶液中大部分以微弱結合的水合物形式存在,只有一小部分形成H2CO3。在常溫時CO2:H2CO3為600:1。碳酸的熱穩定性很差,在加熱時全部分解並放出二氧化碳。碳酸在鹼的作用下,可分別生成酸式碳酸鹽和碳酸鹽。碳酸和人們的日常生活有著密切的關係,生活中喝的汽水就是一種碳酸飲料。習慣上把二氧化碳的水溶液稱為碳酸。

1 碳酸 -結構

結構式
結構式

結構簡式:HOCOOH(HO-為羥基,-COOH為羧基)   

2 碳酸 -方程式

  CO2+H2O===H2CO3   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↑

 

3 碳酸 -性質

物理性質

會使紫色石蕊試液變成梅紅色。

化學性質

碳酸的熱穩定性很差,從來沒有以純酸的形式分離出來過,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。

4 碳酸 -酸性

 碳酸是一種二元酸,其電離分為兩步:

H2CO3 ⇌ HCO3− + H+
Ka1 = 2.5×10-4 mol/L; pKa1 = 3.60 (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。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:

CO2 + H2O ⇌ HCO3− + H+
Ka = 4.30×10-7 mol/L; pKa = 6.36
這個值被稱為碳酸的解離常數。

5 碳酸 -製備方法

二氧化碳(CO2)溶於水后,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:

CO2 + H2O ⇌ H2CO3

該反應在常溫下的平衡常數是Kh=1.70×10−3;因此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)。在(甲/乙/丙/丁/戊/己/庚/辛/壬/癸)二酸當中,惟有甲二酸是無毒的。

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

6 碳酸 -主要用途

血液中的碳酸
碳酸碳酸飲料

在哺乳動物的血液中,碳酸的角色非常重要。當二氧化碳從細胞進入血液后,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。

生活中碳酸飲料

碳酸和我們的日常生活有著密切的關係。我們喝的汽水就是一種碳酸飲料。  

碳酸生活中的碳酸飲料

碳酸飲料是在液體飲料中充入二氧化碳做成的,俗稱汽水,昔日又稱荷蘭水。碳酸飲料,主要成分包括:碳酸水、檸檬酸等酸性物質、白糖、香料,有些含有咖啡因,人工色素等。除糖類能給人體補充能量外,充氣的「碳酸飲料」中幾乎不含營養素。其中包括日常汽水,如七喜、可樂、蘇打水等。碳酸飲料是人們日常生活中必不可少的食品。

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,汽水從瓶子里倒出來,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著壓強降低而變小。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。

7 碳酸 -安全性

碳酸導致骨質疏鬆

碳酸飲料中往往含有磷酸等成分,它們進入人體後會和鈣發生反應,對牙齒、骨骼有重要影響。所以不宜多飲,也不宜天天飲用。處於更年期者、兒童、老人、糖尿病患者更不宜多飲。 

根據需求謹慎飲用

專家建議,飲用和選購碳酸飲料的時候都要謹慎,更不要長期大量飲用。

相對來說,純果汁的碳酸飲料營養比較豐富,有的飲料中還有少量果肉沉澱,能夠適當補充維生素,倒是比較適合年輕人和兒童飲用,但是不能每天喝,或一次性大量飲用。而一些含有咖啡因的碳酸飲料,可樂最有代表性,雖然具有提神的作用,但一般適合成年人偶爾感覺疲勞、精神不濟的時候喝,不太適合兒童。

8 碳酸 -碳酸起的麻煩

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)。 

碳酸碳酸飲料

  

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。 

9 碳酸 -碳酸是有機酸還是無機酸

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,故現在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   

碳酸身邊的碳酸飲料

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。 些都是有機酸的性質。現在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。

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