Химия - Угольная кислота

28 февраля 2011


Оглавление:
1. Угольная кислота
2. Получение



слабая двухосновная кислота с химической формулой H2CO3. В чистом виде неустойчива. Образуется в малых количествах при растворении углекислого газа в воде, в том числе и углекислого газа из воздуха. Образует ряд устойчивых неорганических и органических производных: соли, сложные эфиры, амиды и др.

Физические свойства

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 129 пм.

Химические свойства

Равновесие в водных растворах и кислотность

Угольная кислота существует в водных растворах в состоянии равновесия с гидратом диоксида углерода:

\mathrm{CO_2 \cdot H_2O_{} \ \rightleftarrows \ H_2CO_{3} }, константа равновесия при 25 °C K_p = \frac{\mathrm{}}{\mathrm{}} = 1,70\cdot 10^{-3}

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

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

\mathrm{CO_2 \cdot H_2O_{} \ \rightleftarrows \ CO_2 \uparrow +\ H_2O}

Данное равновесие при повышении температуры сдвигается вправо, а при повышении давления — влево.

Угольная кислота подвергается обратимому гидролизу, создавая при этом кислую среду:

\mathrm{H_2CO_3 +\ H_2O \rightleftarrows \ HCO_3^- +\ H_3O^+}, константа кислотности при 25 °C K_{a1} = \frac{\mathrm{ \ \cdot \}}{\mathrm{}} = 2,5 \cdot 10^{-4}

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

K_a' = \frac{\mathrm{ \ \cdot \}}{\mathrm{}} = 4,27 \cdot 10^{-7}

Гидрокарбонат-ион подвергается дальнейшему гидролизу по реакции

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

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

\mathrm{CO_2 \uparrow \stackrel{H_2O}{\rightleftarrows} \ CO_2 \cdot H_2O \rightleftarrows \ H_2CO_3 \stackrel{-H^+}{\rightleftarrows} \ HCO_3^- \stackrel{-H^+}{\rightleftarrows} \ CO_3^{2-} \}

Значение pH в такой системе, соответствующей насыщенному раствору диоксида углерода в воде при 25 °C и давлении 760 мм рт. ст., можно рассчитать по формуле:

\mathrm{pH} \approx - \frac{1}{2} \lg = 3,9, где L = 0,034 моль/л — растворимость CO2 в воде при указанных условиях.

Разложение

При повышении температуры раствора и/или понижении парциального давления диоксида углерода равновесие в системе \mathrm{} смещается влево, что приводит к разложению части угольной кислоты на воду и диоксид углерода. При кипении раствора угольная кислота разлагается полностью:

\mathrm{H_2CO_3 \longrightarrow \ H_2O +\ 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:

\mathrm{H_2CO_3 + 2\ NaOH}\mathrm{\longrightarrow \ Na_2CO_3 + 2\ H_2O}
\mathrm{H_2CO_3 +\ NaOH}\mathrm{\longrightarrow \ NaHCO_3 +\ H_2O}
\mathrm{H_2CO_3 +\ Ca_2 \longrightarrow \ CaCO_3 \downarrow + 2\ H_2O}
\mathrm{H_2CO_3 +\ NH_3 \cdot H_2O \longrightarrow \ NH_4HCO_3 +\ H_2O}

При взаимодействии угольной кислоты с карбонатами образуются гидрокарбонаты:

\mathrm{H_2CO_3 +\ Na_2CO_3 \longrightarrow 2\ NaHCO_3}
\mathrm{H_2CO_3 +\ CaCO_3 \longrightarrow \ Ca_2}


Просмотров: 8485


<<< Тетрахлороаурат(III) водорода
Фтороводород >>>