Меню Главная Случайная статья Настройки Угольная кислота Материал из https://ru.wikipedia.org Угольная кислота (лат. Acidum carbonicum, химическая формула — H2CO3) — слабая химическая неорганическая кислота. Образуется в малых количествах при растворении углекислого газа в воде[1], в том числе и углекислого газа из воздуха. При нормальных условиях, угольная кислота неустойчива и разлагается на углекислый газ и воду. Образует ряд устойчивых неорганических и органических производных: соли (карбонаты и гидрокарбонаты), сложные эфиры, амиды, хлорангидрид (фосген) и др. Содержание 1 Физические свойства 2 Химические свойства 2.1 Равновесие в водных растворах и кислотность 2.2 Разложение 2.3 Взаимодействие с основаниями и солями 3 Получение 4 Применение 5 Органические производные 6 Примечания 7 Литература Физические свойства Угольная кислота существует в водных растворах в равновесии с диоксидом углерода, причём при нормальных условиях равновесие сильно сдвинуто в сторону разложения кислоты. Молекула угольной кислоты имеет плоское строение. Центральный углеродный атом имеет sp2-гибридизацию. В гидрокарбонат- и карбонат-анионах происходит делокализация -связи. Длина связи C—O в карбонат-ионе составляет 130 пм. Безводная угольная кислота представляет собой бесцветные кристаллы, устойчивые при низких температурах, сублимирующиеся при температуре 30 °C, а при дальнейшем нагревании полностью разлагающиеся. Поведение чистой угольной кислоты в газовой фазе исследовано в 2011 г. австрийскими химиками[2]. Химические свойства Равновесие в водных растворах и кислотность Угольная кислота существует в водных растворах в состоянии равновесия с гидратом диоксида углерода: ${\displaystyle {\mathsf {CO_{2}\cdot H_{2}O_{(p)}\rightleftarrows H_{2}CO_{3(p)}}}}$, константа равновесия при 25 °C ${\displaystyle K_{p}={\frac {\mathsf {[H_{2}CO_{3}]}}{\mathsf {[CO_{2}\cdot H_{2}O]}}}=1{,}70\cdot 10^{-3}}$ Скорость прямой реакции 0,039 с1, обратной — 23 с1. В свою очередь растворённый гидрат диоксида углерода находится в равновесии с газообразным диоксидом углерода: ${\displaystyle {\mathsf {CO_{2}\cdot H_{2}O_{(p)}\rightleftarrows CO_{2}\uparrow +\ H_{2}O}}}$ Данное равновесие при повышении температуры сдвигается вправо, а при повышении давления — влево (подробнее см. Абсорбция газов). Угольная кислота подвергается обратимому гидролизу, создавая при этом кислую среду: ${\displaystyle {\mathsf {H_{2}CO_{3}+\ H_{2}O\rightleftarrows HCO_{3}^{-}+\ H_{3}O^{+}}}}$, константа кислотности при 25 °C ${\displaystyle K_{a1}={\frac {\mathsf {[HCO_{3}^{-}]\cdot [H_{3}O^{+}]}}{\mathsf {[H_{2}CO_{3}]}}}=2{,}5\cdot 10^{-4}}$ Однако, для практических расчётов чаще используют кажущуюся константу кислотности, учитывающую равновесие угольной кислоты с гидратом диоксида углерода: ${\displaystyle K_{a}'={\frac {\mathsf {[HCO_{3}^{-}]\cdot [H_{3}O^{+}]}}{\mathsf {[CO_{2}\cdot H_{2}O]}}}=4{,}27\cdot 10^{-7}}$ Гидрокарбонат-ион подвергается дальнейшему гидролизу по реакции ${\displaystyle {\mathsf {HCO_{3}^{-}+\ H_{2}O\rightleftarrows CO_{3}^{2-}+\ H_{3}O^{+}}}}$, константа кислотности при 25 °C ${\displaystyle K_{a2}={\frac {\mathsf {[CO_{3}^{2-}]\cdot [H_{3}O^{+}]}}{\mathsf {[HCO_{3}^{-}]}}}=4{,}68\cdot 10^{-11}}$ Таким образом, в растворах, содержащих угольную кислоту, создается сложная равновесная система, которую можно изобразить в общем виде следующим образом: ${\displaystyle {\mathsf {CO_{2}{\stackrel {H_{2}O}{\rightleftarrows }}CO_{2}\cdot H_{2}O\rightleftarrows H_{2}CO_{3}{\stackrel {-H^{+}}{\rightleftarrows }}HCO_{3}^{-}{\stackrel {-H^{+}}{\rightleftarrows }}CO_{3}^{2-}(*)}}}$ Значение водородного показателя pH в такой системе, соответствующего насыщенному раствору диоксида углерода в воде при 25 °C и давлении 760 мм рт. ст., можно рассчитать по формуле: ${\displaystyle {\mathsf {pH=-lg\left({\frac {-K_{a}'+{\sqrt {(K_{a}')^{2}+4K_{a}'C_{0}}}}{2}}\right)=3{,}9}}}$, где C = 0,034 моль/л — растворимость CO2 в воде при указанных условиях. Разложение При повышении температуры раствора и/или понижении парциального давления диоксида углерода равновесие смещается в сторону разложения угольной кислоты на воду и диоксид углерода. При кипении раствора угольная кислота разлагается полностью: ${\displaystyle {\mathsf {H_{2}CO_{3}\longrightarrow H_{2}O+CO_{2}\uparrow }}}$ Взаимодействие с основаниями и солями Угольная кислота вступает в реакции нейтрализации с растворами оснований, образуя средние и кислые соли — карбонаты и гидрокарбонаты соответственно: ${\displaystyle {\mathsf {H_{2}CO_{3}+2NaOH}}}$(конц.)${\displaystyle {\mathsf {\longrightarrow Na_{2}CO_{3}+2H_{2}O}}}$ ${\displaystyle {\mathsf {H_{2}CO_{3}+NaOH}}}$(разб.)${\displaystyle {\mathsf {\longrightarrow NaHCO_{3}+H_{2}O}}}$ ${\displaystyle {\mathsf {H_{2}CO_{3}+\ Ca(OH)_{2}\longrightarrow CaCO_{3}\downarrow +\ 2H_{2}O}}}$ ${\displaystyle {\mathsf {H_{2}CO_{3}+\ NH_{3}\cdot H_{2}O\longrightarrow NH_{4}HCO_{3}+H_{2}O}}}$ При взаимодействии угольной кислоты с карбонатами образуются гидрокарбонаты: ${\displaystyle {\mathsf {H_{2}CO_{3}+Na_{2}CO_{3}\longrightarrow 2NaHCO_{3}}}}$ ${\displaystyle {\mathsf {H_{2}CO_{3}+\ CaCO_{3}\longrightarrow Ca(HCO_{3})_{2}}}}$ Получение Угольная кислота образуется при растворении в воде диоксида углерода: ${\displaystyle {\mathsf {CO_{2}+H_{2}O\rightleftarrows CO_{2}\cdot H_{2}O\rightleftarrows H_{2}CO_{3}}}}$ Содержание угольной кислоты в растворе увеличивается при понижении температуры раствора и увеличении давления углекислого газа. Также угольная кислота образуется при взаимодействии её солей (карбонатов и гидрокарбонатов) с более сильной кислотой. При этом большая часть образовавшейся угольной кислоты, как правило, разлагается на воду и диоксид углерода: ${\displaystyle {\mathsf {Na_{2}CO_{3}+2HCl\longrightarrow 2NaCl+H_{2}CO_{3}}}}$ ${\displaystyle {\mathsf {H_{2}CO_{3}\rightarrow H_{2}O+CO_{2}\uparrow }}}$ Применение Угольная кислота всегда присутствует в водных растворах углекислого газа (см. «Газированная вода»). В биохимии используется свойство равновесной системы изменять давление газа пропорционально изменению содержания ионов оксония (кислотности) при постоянной температуре. Это позволяет регистрировать в реальном времени ход ферментативных реакций, протекающих с изменением pH раствора. Также применяется для производства хладагента, солнечных генераторов и морозильников. При H-катионировании (при использовании катионита в H-форме при обессоливании) воды pH снижается ввиду повышения концентрации ионов водорода, а карбонат- и гидрокарбонат-ионы разлагаются с выделением углекислого газа, после чего углекислый газ из обрабатываемой воды удаляется в декарбонизаторе.[3] Органические производные Угольную кислоту формально можно рассматривать как карбоновую кислоту с гидроксильной группой вместо углеводородного остатка. В этом качестве она может образовывать все производные, характерные для карбоновых кислот[4]. Некоторые представители подобных соединений перечислены в таблице. Класс соединений Пример соединения Сложные эфиры поликарбонаты Хлорангидриды фосген Амиды мочевина Нитрилы циановая кислота Ангидриды пироугольная кислота Примечания 1 2 3 В водном растворе большая часть угольной кислоты обратимо переходит в гидрат диоксида углерода по реакции H2CO3 CO2·H2O International first: Gas-phase carbonic acid isolated  (неопр.). Дата обращения: 5 июля 2015. Архивировано 23 июня 2015 года. С.Л. Громов, Е.К. Долгов, К.А. Орлов, В.Ф. Очков. Водоподготовка в энергетике (рус.). — Москва: Издательство МЭИ, 2021. — С. 226. — 574 с. — ISBN 978-5-7046-2439-4, ББК 31.37я 73. Литература