你真的了解碳酸吗？碳酸晶体结构首次被确定！| MDPI News
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文章作者
陈达 博士
德国亚琛工业大学 RWTH
深圳霍夫曼先进材料研究院
由本刊主编 Richard Dronskowski 教授等人撰写的题为“碳酸的晶体结构”的论文发表在 Inorganic (ISSN: 2304-6740) 特刊“Inorganics: 10th Anniversary”，并在各种媒体上受到了广泛的讨论。Richard Dronskowski 教授根据他的最新研究编写了这篇“科学开胃菜”。
碳酸到底是什么？
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为什么一杯清凉的香槟、一杯午后的鸡尾酒以及一杯新鲜的扎啤会让我们如此心旷神怡？当然，除了迷人的味道和少量酒精外，是碳酸使得这些饮料熠熠生辉。几乎每个苏打水瓶上都标明了它的浓度，那么碳酸究竟是什么？
图片来源：Pixabay。
碳酸是一种神秘的分子，尽管炼金术士们在几个世纪前就已经接触过它，但直到 2022 年它的存在性仍富有争议。这种化合物的分子式出奇的简单。正如化学家所提到的“H2CO3”，碳酸是一种由水和二氧化碳组成的最简单的化合物：H2CO3=H2O+CO2。而在这种“简单”中，却蕴藏着化学难题。
碳酸的结构终于被证实！
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虽然我们在某些方面对碳酸已经有了不局限于上述饮料的初步认识，但事实上，人们只观察到了碳酸分解所产生的气相产物 (冒泡的 CO2 气体)，并未直接观测到碳酸的存在。那么这种物质是否真实存在，还是它只是人们从化学的角度想象出来的？
图片来源：Pixabay。
即使到了今天，大多数的化学教科书都声称，碳酸并不存在，至少具有一个碳原子、三个氧原子和两个氢原子的分子结构从未被观察到，这足以令人惊讶。最近，经过大量的实验和理论研究，德国亚琛工业大学 Dronskowski 教授课题组联合中国深圳霍夫曼研究院以及德国慕尼黑工业大学一起成功地探明了碳酸的晶体结构，彻底地证明了该分子的存在，请参见 Inorganics 2022, 10, 132。
如何探测碳酸的结构？
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科学家们首先将水分子和二氧化碳分子在低温下 (约零下 100 摄氏度甚至更低) 以固体形式混合起来。然后将混合物放入一个特制的高压装置中，并增加压力到 20000 个大气压。高压装置由“俄罗斯合金”和其他材料组成。“俄罗斯合金”这种材料只存在于俄罗斯，但其成分是已知的，可以在亚琛制备。
科学家们预期，水分子和二氧化碳分子在挤压到一定极限时会相互结合并形成碳酸分子，实验结果和理论计算证明确实如此。通过探测氘化样品的中子衍射图案，并在计算化学的大量帮助下，历时八年时间，科学家们首次阐明了碳酸的晶体结构。眼见为实，我们现在可以真正地观测到碳酸分子，它真实存在并有着一个有趣的结构。
在 1.85 Gpa 压力下氘化碳酸的中子衍射图谱。蓝色十字点为测量的衍射峰，深绿色线为拟合的衍射峰，红色线为过量的二氧化碳杂质的衍射峰。
每个晶胞内含有四个碳酸分子，而每两个分子之间相互配对形成一个二聚体，以达到空间和能量上的最有利状态。进一步的量子化学计算揭示了碳酸分子内部原子之间具有奇异的成键性质。例如，C-O 单键 (原子之间共享两个电子) 明显短于预期，而 C=O 双键 (共享四个电子) 则又过长。事实上，这是由于碳酸分子找到了一种巧妙的方式来优化其形状。碳酸分子之间则通过强烈的氢键作用相互连接，巧妙之处在于，自然界也采用同样的方式来储存我们 DNA 中的遗传信息。
碳酸的晶体结构。
碳酸的结构确定有何价值？
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这项基础研究具有广泛的科学和应用价值。例如，人们曾试图通过将二氧化碳封存到地球的土壤中来阻止二氧化碳进一步进入大气层。然而直至现在，我们才能正确评估这种行为的化学后果 (在非常高的压力作用下)。此外，碳酸也可能在我们的星球之外发挥着重要作用。在太阳系中，这种分子可能也存在于其他行星上，例如天王星、海王星或是木星的卫星木卫一等。这项研究证实了碳酸的存在及其结构，未来科学家将更容易检测在太阳系甚至太阳系之外的行星上是否存在这种物质。
图片来源：Pixabay。
而几乎所有的化学教科书都将不得不改写，因为由水和二氧化碳组成的最简单的分子并不是幻想，这种化合物确实存在。
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