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。

碳酸是一种二元酸，其解离分为两步：

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

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

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

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

需要注意的是，以上所述值并不适用于实际估算碳酸的酸性，因为单个碳酸分子的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和水的动态平衡中，其浓度比二氧化碳低得多，故酸度实际上较低，第一步反应可以记作：

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

K_a = 4.30×10^-7 mol/L; pK_a = 6.36

这个值被称为碳酸的解离常数。

碳酸除了由二氧化碳和水形成之外，也可以由两个自由基（HCO、CO₃）结合而成[7]。另外一种方式是将碳酸氢盐加盐酸或者氢溴酸的水溶液合成；这个反应要在低温下进行，以免产物立刻分解为二氧化碳和水[8]。在高于120K的温度可以形成非晶质碳酸，高于200K则会出现「β-相」的碳酸结晶，可由红外光谱学测出。β-相碳酸的光谱，可以确认它就是二氧化碳和水反应的副产物[7]；它可在230–260 K升华而大部分不发生分解。一方面，间质隔离的红外线光谱技术，可以测量碳酸分子的信号，精确度到一个分子[9]。

碳酸可以由混合二氧化碳和水形成形成，又或者将干冰质子化来合成[10]。由宇宙线的情况因此可以推测，在火星上或者外太空里的固态水和干冰混合物中，可能存在碳酸[3]。碳酸的稳定性比预期中高，它能在比较高温（260K）存在，或甚至以气态存在于火星极冠[9]。由从头计算法推算，只要有单独一个水分子存在，就足以催化气态碳酸分子分解为二氧化碳和水；若没有水，分解反应会很慢，在300K、气态下的反应半衰期是18万年[3]。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[11]。

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[12][13]；然而这项研究结果，受到之后一份2014年的博士论文质疑[14]。通过同位素标记实验，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物，而不是碳酸[15]；后续的间质隔离红外线光谱分析，以及分析通过气态合成、热裂解技术合成的产物，都确认这点[16][17]。尽管有过去如此曲折的研究纪录，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[18]；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」还未经晶体学分析以确定其结构。

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[19][20]。

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