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炭酸(たんさん)は、化学式 H₂CO₃ で表される炭素のオキソ酸であり弱酸の一種である。

◆ 性質

普通は水溶液中のみに存在し、水に二酸化炭素を溶解することで生じる。

:$\backslash rm\; CO\_2(g)\; \backslash \; \backslash overrightarrow\backslash longleftarrow\; \backslash \; CO\_2(aq)$

水に溶解した二酸化炭素の一部は水分子の付加により炭酸となる。

:$\backslash rm\; CO\_2(aq)\; +\; H\_2O(l)\; \backslash \; \backslash overrightarrow\backslash longleftarrow\; \backslash \; H\_2CO\_3(aq)$

この反応の平衡定数 (K_h) は 25 ℃で 1.7 × 10⁻³ でありWelch, M. J.; Lipton, J. F.; Seck, J. A. (1969). "Tracer studies with radioactive oxygen-15. Exchange between carbon dioxide and water

". J. Phys. Chem. 73: 3351?3356. DOI: [外部リンク] 10.1021/j100844a033、著しく左に偏っているため水溶液中の二酸化炭素の大部分は CO₂ 分子として存在する。触媒が存在しない場合、二酸化炭素と炭酸の間の反応が平衡に達する速度は低く、正反応の速度定数は 0.039 s⁻¹、逆反応の速度定数は 23s⁻¹ である。

二酸化炭素と炭酸の平衡は体液の酸性度を調節する上で非常に重要であり、ほとんどの生物はこれら2つの化合物を変換させるための炭酸脱水酵素を持っている。この酵素は反応速度をおよそ10億倍にする。

炭酸は水溶液中で2段階の解離を起こす。25 ℃における酸解離定数は1段階目が pK_a1 = 3.60、2段階目が pK_a2 = 10.25 であり、炭酸は真の解離定数において酢酸よりも強い酸であるが、上記の二酸化炭素との平衡が存在するために、見かけ上の pKa* が高い非常に弱い酸である。このため炭酸塩は相応の塩基性を示し、灰汁として古代より日常生活のアルカリとして洗浄などに活用されてきた。

:$\backslash rm\; H\_2CO\_3(aq)\; \backslash \; \backslash overrightarrow\backslash longleftarrow\; \backslash \; HCO\_3^-(aq)\; +\; H^+(aq)$

:$\backslash rm\; HCO\_3^-(aq)\; \backslash \; \backslash overrightarrow\backslash longleftarrow\; \backslash \; CO\_3^(aq)\; +\; H^+(aq)$

:

酸解離に関する標準エンタルピー変化、ギブス自由エネルギー変化、エントロピー変化の値が報告されておりD.D. Wagman, W.H. Evans, V.B. Parker, R.H. Schumm, I. Halow, S.M. Bailey, K.L. Churney, R.I. Nuttal, K.L. Churney and R.I. Nuttal, The NBS tables of chemical thermodynamics properties, J. Phys. Chem. Ref. Data 11 Suppl. 2 (1982).、解離に伴いエントロピーの減少がおこるのは、電荷の増加に伴いイオンの水和の程度が増加し、電縮が起こり水分子の水素結合による秩序化の度合いが増加するからである田中元治 『基礎化学選書8 酸と塩基』 裳華房、1971年。この値は以下の平衡に対するものでpK_a1*は見かけの解離定数である。

: $\backslash rm\; CO\_2(aq)\; +\; H\_2O(l)\; \backslash \; \backslash overrightarrow\backslash longleftarrow\; \backslash \; H^+(aq)\; +\; HCO\_3^-(aq)$, $\backslash mboxK\_^*\; =\; 6.35\; \backslash ,$

: $\backslash rm\; HCO\_3^-(aq)\; \backslash \; \backslash overrightarrow\backslash longleftarrow\; \backslash \; H^+(aq)\; +\; CO\_3^(aq)$, $\backslash mboxK\_=\; 10.33\; \backslash ,$

:

:

H^\circ

!! style="white-space:nowrap"| $\backslash mathitG^\backslash circ$

!! style="white-space:nowrap"| $\backslash mathitS^\backslash circ$

!! style="white-space:nowrap"| $\backslash mathitCp^\backslash circ$

|-

! style="white-space:nowrap"| 第一解離

| style="white-space:nowrap; background-color:#ffffff"| 7.64 kJ mol⁻¹

| style="white-space:nowrap; background-color:#ffffff"| 36.34 kJ mol⁻¹

| style="white-space:nowrap; background-color:#ffffff"| −96.3 J mol⁻¹K⁻¹

| style="white-space:nowrap; background-color:#ffffff"| −377 J mol⁻¹K⁻¹

|-

! style="white-space:nowrap"| 第二解離

| style="white-space:nowrap; background-color:#ffffff"| 14.85 kJ mol⁻¹

| style="white-space:nowrap; background-color:#ffffff"| 58.96 kJ mol⁻¹

| style="white-space:nowrap; background-color:#ffffff"| −148.1 J mol⁻¹K⁻¹

| style="white-space:nowrap; background-color:#ffffff"| −272 J mol⁻¹K⁻¹

|-

| -->

◆炭酸の不安定性

長い間、炭酸そのものを室温で単離することは不可能だと考えられていた。しかし、1991年にNASA・ゴダード宇宙飛行センターの科学者が初めて純粋な H₂CO₃ を作り出すことに成功したMoore, M. H.; Khanna, R. (1991). "Infrared and Mass Spectral Studies of Proton Irradiated H2O + CO2 Ice: Evidence for Carbonic Acid". Spectrochim. Acta [外部リンク]A 47: 255–262.。彼らは凍結させた水と二酸化炭素に高エネルギーの放射線を照射したのち、加温して余分な水を取り除くことにより単離を行った。得られた炭酸の構造は赤外分光法によって検討された。宇宙空間には水や二酸化炭素の氷が普通に存在することから、この実験結果は宇宙線や紫外線によってそれらが反応することで生成した炭酸も宇宙空間には存在する可能性があることを示唆している。

理論計算によって、水が1分子でも存在すると炭酸はすぐに二酸化炭素と水に戻ってしまうが、水を含まない純粋な炭酸は気体状態で安定であることが示されており、その半減期はおよそ18万年であると見積もられているLoerting, T.; Tautermann, C.; Kroemer, R. T.; Kohl, I.; Mayer, E.; Hallbrucker, A.; Leidl, K. R. (2000). "On the Surprising Kinetic Stability of Carbonic Acid". Angew. Chem., Int. Ed. 39: 891–894. DOI: [外部リンク] 10.1002/(SICI)1521-3773(20000303)39:5<891::AID-ANIE891>3.0.CO;2-E。

◆炭酸と雨水

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