Угольная кислота Физические свойства

Угольная кислота (Н₂СО₃) – это двухосновная, кислородсодержащая, слабая кислота. Структурная формула ее выглядит следующим образом:

В чистом виде угольная кислота существовать не может. Она устойчива только в разбавленных водных растворах и образуется при растворении СО₂ в Н₂О:

СО₂ + Н₂О Н₂СО₃

Эта реакция обратима и равновесие ее в сильной мере смещено в левую сторону. Лишь небольшая часть (около 1 %) молекул СО₂, из находящихся в растворе, превращается в кислоту.

Таким образом, молярная концентрация угольной кислоты (с учетом растворимости СО₂) при 20^оС и атмосферном давлении не превышает 4 ∙ 10^-4 моль/дм³.

В водных растворах H₂СO₃ диссоциирует ступенчато:

H₂СO₃ H⁺ + HСO₃⁻ K_{1 дисс.} = 4,5 ∙ 10^-7

HСO₃⁻ СO₃²⁻ + H⁺ K_{2 дисс.} = 4,8 ∙ 10^-11

В молекулярных и ионных уравнениях реакций угольную кислоту как слабый электролит записывают в молекулярном виде или учитывая ее нестойкость, в виде продуктов распада: H₂O + СО₂↑.

Растворы угольной кислоты являются очень разбавленными, поэтому они не имеют кислого вкуса (из-за крайне малой концентрации ионов Н⁺) почти не изменяют окраску индикаторов, не разъедают текстильные ткани. При попадании на кожу не вызывают химических ожогов.

Химические свойства

Угольная кислота может реагировать с металлами, стоящими в ряду напряжений до Н₂. Но скорость протекания такой реакции крайне мала из-за незначительной концентрации ионов Н⁺. Щелочные, а также щелочноземельные металлы, с растворами Н₂СО₃ будут взаимодействовать в 2 стадии:

1. 2 Na + 2 H₂O = 2 NaOH + H₂↑

2. 2 NaОН + H₂СO₃ = Na₂СO₃ + 2H₂О

суммарное 2 Na + H₂СO₃ = Na₂СO₃ + H₂↑

уравнение

С оксидами металлов угольная кислота, как и с металлами, будет реагировать очень медленно и только на поверхности оксида, так как образующиеся соли почти все нерастворимы в Н₂О.

Оксиды щелочных и щелочноземельных металлов с растворами кислоты будут взаимодействовать в 2 стадии:

1) К₂О + Н₂О = 2КОН

2) 2КОН + Н₂СО₃ = К₂СО₃ + 2Н₂О

суммарное К₂О + Н₂СО₃ = К₂СО₃ + Н₂О

уравнение

Нерастворимые основания угольная кислота не растворяет, а с растворами щелочей реакция идет ступенчато:

Н₂СО₃ + NaОН = NaНСО₃ + Н₂О

NaНСО₃ + NaОН = Na₂СО₃ + Н₂О

суммарное Н₂СО₃ + 2 NaОН = Na₂СО₃ + 2 Н₂О

уравнение

2Н₂СО₃ + Сa(ОН)₂ = Сa(НСО₃)₂ + 2 Н₂О

Сa(НСО₃)₂ + Сa(ОН)₂ = 2 СaСО₃↓ + 2 Н₂О

суммарное Н₂СО₃ + Сa(ОН)₂ = СaСО₃↓ + 2 Н₂О

уравнение

Аналогично угольная кислота будет взаимодействовать и с NH₃:

Н₂СО₃ + NН₃ = NH₄НСО₃ аммоний-гидрокарбонат

NH₄НСО₃ + NH₃ = (NH₄)₂СО₃

суммарное Н₂СО₃ + 2 NН₃ = (NH₄)₂СО₃ (аммоний-карбонат)

уравнение

Угольная кислота вытесняет из водных растворов солей более слабые, чем сама, неорганические кислоты (Н₂SiO₃, H₂S):

Na₂SiO₃ + 2H₂CO₃ = 2NaНCO₃ + H₂SiO₃↓

K₂S + 2H₂O + 2CO₂ = 2KHCO₃ + H₂S↑

Соли угольной кислоты

Угольная кислота может образовывать 2 вида солей: средние (карбонаты) и кислые (гидрокарбонаты). Почти все средние соли нерастворимы в Н₂О (кроме карбонатов щелочных металлов и аммония). Растворимые средние соли в водных растворах сильно гидролизуются, вследствие чего они имеют щелочную среду:

Na₂CO₃ + HOH NaHCO₃ + NaOH

Н₂О + CO₃²⁻ HCO₃⁻ + OH⁻

Кислые соли гидролизуются в значительно меньшей степени, чем средние.

Многие кислые соли угольной кислоты растворяются лучше, чем средние. Например, СаСО₃ нерастворим, а Са(НСО₃)₂ растворим. В связи с этим средние соли угольной кислоты могут растворяться в ее избытке:

СаСО₃ + Н₂О + СО₂ = Са(НСО₃)₂

При нагревании и карбонаты, и гидрокарбонаты разлагаются:

Mg(HCO₃)₂ MgO + 2CO₂↑ + H₂O

CaCO₃ CaO + CO₂↑

Причем гидрокарбонаты при кипячении в водном растворе или при несильном нагревании в твердом виде сперва переходят в карбонаты:

Са(НСО₃)₂ = СаСО₃↓ + Н₂О + СО₂

2NaНСО₃ = Na₂СО₃ + Н₂О + СО₂

Образовавшиеся средние соли начинают разлагаться при более высокой температуре.

Карбонаты щелочных металлов сперва образуют расплавы и разлагаются только при дальнейшем нагревании. Карбонаты же других металлов разлагаются, не образуя расплавы.

Качественной реакцией на карбонаты и гидрокарбонаты является их взаимодействие с растворами более сильных, чем Н₂СО₃, кислот, при котором выделяется углекислый газ:

NaHСО₃ + HCl → NaCl + Н₂О + CO₂↑

MgСО₃ + 2HCl → MgCl₂ + Н₂О + СО₂↑

Наличие карбонатов в растворах определяют также с помощью растворимых солей кальция либо бария, или их гидроксидов (Ca(OH)₂, Ba(OH)₂):

C a²⁺ + СО₃^2- = CaCO₃↓ осадки

Ba²⁺ + СО₃^2- = BaCO₃↓ белого цвета