Перейти к содержанию

Угольная кислота

Эта статья находится на начальном уровне проработки, в одной из её версий выборочно используется текст из источника, распространяемого под свободной лицензией
Материал из энциклопедии Руниверсалис
Угольная кислота

Систематическое название Угольная кислота
Химическая формула H2CO3
Внешний вид Бесцветный раствор
Свойства
Молярная масса 62,025 г/моль
Температура плавления ?
Температура кипения ?
Температура возгонки ?
Температура разложения ?
Температура стеклования ?
Плотность 1,668 г/см³
Константа диссоциации pKa реальные: 1) 3,60;
2) 10,33
кажущаяся[1]: 6,37
Растворимость в воде 0,21[1] г/100 мл
Термодинамические свойства
Стандартная энтальпия образования −700 кДж/моль
Стандартная молярная энтропия +187 Дж/(К·моль)
Стандартная энергия образования Гиббса −623 кДж/моль
Классификация
Регистрационный номер CAS 463-79-6
PubChem 463-79-6
Код SMILES C(=O)(O)O
Безопасность
Пиктограммы опасности СГС Пиктограмма «Коррозия» системы СГС
NFPA 704
NFPA 704 four-colored diamondОгнеопасность 0: Негорючее веществоОпасность для здоровья 0: Не представляет опасности для здоровья, не требует мер предосторожности (например, ланолин, пищевая сода)Реакционноспособность 1: Обычно стабильное, но может стать неустойчивым при повышенных температуре и давлении (например, пероксид водорода, гидрокарбонат натрия)Специальный код: отсутствует
0
0
1
Где это не указано, данные приведены при стандартных условиях (25 °C, 100 кПа).

У́гольная кислота́ (химическая формулаH2CO3) — 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 и др.

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 π-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:

[math]\displaystyle{ \mathsf{CO_2 \cdot H_2O_{(p)} \rightleftarrows H_2CO_{3(p)} } }[/math], константа равновесия при 25 °C [math]\displaystyle{ K_p = \frac{\mathsf{[H_2CO_3]}}{\mathsf{[CO_2 \cdot H_2O]}} = 1{,}70\cdot 10^{-3} }[/math]

Скорость прямой реакции 0,039 с−1, обратной — 23 с−1.

В свою очередь растворённый гидрат диоксида углерода находится в равновесии с газообразным диоксидом углерода:

[math]\displaystyle{ \mathsf{CO_2 \cdot H_2O_{(p)} \rightleftarrows CO_2 \uparrow +\ H_2O} }[/math]

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:

[math]\displaystyle{ \mathsf{H_2CO_3 +\ H_2O \rightleftarrows HCO_3^- +\ H_3O^+} }[/math], константа кислотности при 25 °C [math]\displaystyle{ K_{a1} = \frac{\mathsf{[HCO_3^-] \cdot [H_3O^+]}}{\mathsf{[H_2CO_3]}} = 2{,}5 \cdot 10^{-4} }[/math]

Однако, для практических расчётов чаще используют кажущуюся константу кислотности, учитывающую равновесие угольной кислоты с гидратом диоксида углерода:

[math]\displaystyle{ K_a' = \frac{\mathsf{[HCO_3^-] \cdot [H_3O^+]}}{\mathsf{[CO_2 \cdot H_2O]}} = 4{,}27 \cdot 10^{-7} }[/math]

Гидрокарбонат-ион подвергается дальнейшему гидролизу по реакции

[math]\displaystyle{ \mathsf{HCO_3^- +\ H_2O \rightleftarrows CO_3^{2-} +\ H_3O^+} }[/math], константа кислотности при 25 °C [math]\displaystyle{ K_{a2} = \frac{\mathsf{[CO_3^{2-}] \cdot [H_3O^+]}}{\mathsf{[HCO_3^-]}} = 4{,}68 \cdot 10^{-11} }[/math]

Таким образом, в растворах, содержащих угольную кислоту, создается сложная равновесная система, которую можно изобразить в общем виде следующим образом:

[math]\displaystyle{ \mathsf{CO_2 \stackrel{H_2O}{\rightleftarrows} CO_2 \cdot H_2O \rightleftarrows H_2CO_3 \stackrel{-H^+}{\rightleftarrows} HCO_3^- \stackrel{-H^+}{\rightleftarrows} CO_3^{2-} (*)} }[/math]

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:

[math]\displaystyle{ \mathsf{pH =-lg \left( \frac {-K_a'+ \sqrt {(K_a')^2 + 4 K_a' C_0} }{2} \right) = 3{,}9} }[/math], где C₀ = 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:

[math]\displaystyle{ \mathsf{H_2CO_3 \longrightarrow H_2O + CO_2 \uparrow} }[/math]

Взаимодействие с основаниями и солями

Угольная кислота вступает в реакции нейтрализации с растворами оснований, образуя средние и кислые соли — карбонаты и гидрокарбонаты соответственно:

[math]\displaystyle{ \mathsf{H_2CO_3 + 2 NaOH} }[/math](конц.)[math]\displaystyle{ \mathsf{\longrightarrow Na_2CO_3 + 2 H_2O} }[/math]
[math]\displaystyle{ \mathsf{H_2CO_3 + NaOH} }[/math](разб.)[math]\displaystyle{ \mathsf{\longrightarrow NaHCO_3 + H_2O} }[/math]
[math]\displaystyle{ \mathsf{H_2CO_3 +\ Ca(OH)_2 \longrightarrow CaCO_3 \downarrow + \ 2H_2O} }[/math]
[math]\displaystyle{ \mathsf{H_2CO_3 +\ NH_3 \cdot H_2O \longrightarrow NH_4HCO_3 + H_2O} }[/math]

При взаимодействии угольной кислоты с карбонатами образуются гидрокарбонаты:

[math]\displaystyle{ \mathsf{H_2CO_3 + Na_2CO_3 \longrightarrow 2 NaHCO_3} }[/math]
[math]\displaystyle{ \mathsf{H_2CO_3 +\ CaCO_3 \longrightarrow Ca(HCO_3)_2} }[/math]

Получение

Угольная кислота образуется при растворении в воде диоксида углерода:

[math]\displaystyle{ \mathsf{CO_2 + H_2O \rightleftarrows CO_2 \cdot H_2O \rightleftarrows H_2CO_3} }[/math]

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 бо́льшая часть образовавшейся угольной кислоты, как правило, разлагается на воду и диоксид углерода:

[math]\displaystyle{ \mathsf{Na_2CO_3 + 2 HCl \longrightarrow 2NaCl + H_2CO_3} }[/math]
[math]\displaystyle{ \mathsf{H_2CO_3 \rightarrow H_2O+CO_2 \uparrow} }[/math]

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.

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[3].

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. Перейти обратно: 1,0 1,1 1,2 В водном растворе бо́льшая часть угольной кислоты обратимо переходит в гидрат диоксида углерода по реакции H2CO3 ⇄ CO2·H2O
  2. International first: Gas-phase carbonic acid isolated
  3. Нейланд О. Я. Органическая химия. — М.: Высшая школа, 1990. — С. 640—652. — 751 с. — ISBN 5-06-001471-1.

Литература

  • Лидин Р. А., Молочко В. А., Андреева Л. Л. Реакции неорганических веществ: справочник / Под ред. Р. А. Лидина. — 2-е изд., перераб. и доп. — М.: Дрофа, 2007. — 637 с. — ISBN 978-5-358-01303-2.
  • Лидин Р.А., Андреева Л. Л., Молочко В. А. Константы неорганических веществ: справочник / Под ред. Р. А. Лидина. — 2-е изд., перераб. и доп. — М.: Дрофа, 2006. — 685 с. — ISBN 5-7107-8085-5.