§ 36. Угольная кислота и её соли

Определения и обозначения

Угольная кислота H₂CO₃ — слабая, неустойчивая двухосновная кислота. Двухосновной называют кислоту, в молекуле которой два атома водорода могут замещаться металлом. Поэтому угольная кислота образует два ряда солей: кислые гидрокарбонаты и средние карбонаты.

Карбонаты — соли угольной кислоты, содержащие карбонат-ион CO₃²⁻. Примеры: Na₂CO₃ — карбонат натрия, CaCO₃ — карбонат кальция. Заряд иона равен −2, поэтому при составлении формулы нужно подобрать такое число катионов, чтобы общий заряд соли был равен нулю.

Гидрокарбонаты — кислые соли угольной кислоты с гидрокарбонат-ионом HCO₃⁻. В отличие от карбонат-иона, в HCO₃⁻ сохраняется один атом водорода; например, NaHCO₃ — гидрокарбонат натрия. Слово «кислые» показывает, что в соли замещён не весь водород кислоты.

Качественная реакция на карбонат-ионы — действие кислоты, при котором выделяется CO₂, а затем этот газ обнаруживают. Например, углекислый газ мутит известковую воду. Такая реакция помогает распознать карбонаты и гидрокарбонаты в образце.

Как это устроено

Угольная кислота появляется, когда углекислый газ растворяется в воде: CO₂ + H₂O ⇄ H₂CO₃. Равновесие сильно смещено в сторону CO₂ и воды, поэтому в растворе лишь небольшая часть растворённого газа существует в виде молекул H₂CO₃. Обратное превращение происходит легко, особенно если CO₂ удаляется из раствора. Поэтому угольную кислоту обычно не выделяют как устойчивое самостоятельное вещество.

В молекуле H₂CO₃ есть два атома водорода, способных замещаться катионами металлов. Если замещён один атом, образуется гидрокарбонат-ион HCO₃⁻; если оба — карбонат-ион CO₃²⁻. Например, один ион Na⁺ уравновешивает заряд HCO₃⁻, а для CO₃²⁻ нужны два иона Na⁺. Так получаются формулы NaHCO₃ и Na₂CO₃.

Кислота вытесняет угольную кислоту из её солей, но та сразу распадается на воду и CO₂. Поэтому и карбонаты, и гидрокарбонаты при действии кислоты выделяют газ. Сокращённое ионное уравнение для растворимого карбоната: CO₃²⁻ + 2H⁺ → CO₂↑ + H₂O. Два иона водорода нужны, чтобы образовалась молекула воды, а один карбонат-ион даёт одну молекулу CO₂.

Растворимость солей зависит от их состава: большинство карбонатов в воде не растворяется, однако соли натрия, калия и аммония растворимы. Гидрокарбонаты обычно растворимы, поэтому их ионы могут находиться в водном растворе. Это общее правило нужно применять с оглядкой на состав соли, а не считать универсальным для каждой формулы. Например, CaCO₃ практически нерастворим, а Na₂CO₃ хорошо растворяется.

При нагревании многие гидрокарбонаты превращаются в карбонаты: из двух частиц гидрокарбоната образуются карбонат, CO₂ и вода. Например, 2NaHCO₃ → Na₂CO₃ + CO₂↑ + H₂O. Некоторые нерастворимые карбонаты при нагревании тоже выделяют CO₂, но дают оксид металла: CaCO₃ → CaO + CO₂↑. Поведение зависит от металла, поэтому нельзя переносить одно уравнение на все соли.

Сравнение угольной кислоты и её солей

Сначала сравнивайте состав и заряд анионов: именно наличие атома водорода отличает гидрокарбонат от карбоната. Затем смотрите на растворимость и типичное превращение, помня, что растворимость карбонатов имеет исключения. Таблица помогает выбрать подходящее уравнение, но конкретные свойства зависят от состава вещества.

Разбор задач

1. Формулы карбоната и гидрокарбоната натрия

Запишите формулы карбоната натрия и гидрокарбоната натрия и укажите ионы в каждой соли. Формулу составляют так, чтобы суммарный заряд всех ионов равнялся нулю. Ион натрия имеет заряд +1, карбонат-ион — −2, а гидрокарбонат-ион — −1. Поэтому сначала нужно проверить, сколько катионов Na⁺ уравновесят заряд каждого аниона.

1. Для CO₃²⁻ нужны два иона Na⁺: 2 · (+1) + (−2) = 0. Формула карбоната натрия — Na₂CO₃.
2. Для HCO₃⁻ достаточно одного Na⁺: (+1) + (−1) = 0. Формула гидрокарбоната натрия — NaHCO₃.
3. Проверьте, что в первом случае записан CO₃²⁻, а во втором — HCO₃⁻ с атомом водорода.

Ответ: Na₂CO₃ содержит Na⁺ и CO₃²⁻; NaHCO₃ содержит Na⁺ и HCO₃⁻.

2. Реакция карбоната кальция с соляной кислотой

Составьте молекулярное и сокращённое ионное уравнения реакции CaCO₃ с HCl. Карбонат нерастворим, поэтому его нельзя записывать в ионном уравнении как свободные ионы. Кислота поставляет H⁺, которые реагируют с CO₃²⁻ на поверхности твёрдого вещества; продуктами будут соль, вода и газ. Сначала расставим коэффициенты в молекулярном уравнении, затем исключим ионы-наблюдатели.

1. Запишите продукты: CaCl₂, CO₂ и H₂O. Для двух атомов хлора в CaCl₂ поставьте перед HCl коэффициент 2.
2. Молекулярное уравнение: CaCO₃ + 2HCl → CaCl₂ + CO₂↑ + H₂O.
3. Запишите сильные растворимые электролиты в виде ионов, оставив CaCO₃ твёрдым: CaCO₃ + 2H⁺ + 2Cl⁻ → Ca²⁺ + 2Cl⁻ + CO₂ + H₂O.
4. Сократите одинаковые ионы Cl⁻ по обе стороны. Получится CaCO₃ + 2H⁺ → Ca²⁺ + CO₂↑ + H₂O.

Ответ: CaCO₃ + 2HCl → CaCl₂ + CO₂ + H₂O; сокращённое ионное уравнение — CaCO₃ + 2H⁺ → Ca²⁺ + CO₂ + H₂O.

3. Количество карбоната по объёму CO₂

К смеси карбоната и хлорида добавили избыток кислоты; при нормальных условиях выделилось 2,24 л CO₂. Найдите количество вещества карбоната. Хлорид при обычной реакции с кислотой углекислый газ не образует, поэтому измеренный газ связан с карбонатом. Важно использовать молярный объём газа при н. у. и соотношение частиц в уравнении.

1. При н. у. молярный объём газа равен 22,4 л/моль. Найдите количество CO₂: n(CO₂) = V/Vₘ = 2,24/22,4 = 0,10 моль.
2. Из уравнения CO₃²⁻ + 2H⁺ → CO₂ + H₂O следует, что один моль карбонат-иона образует один моль CO₂. Соотношение равно 1:1.
3. Следовательно, n(CO₃²⁻) = n(CO₂) = 0,10 моль, а количество вещества карбоната в смеси — 0,10 моль.

Ответ: 0,10 моль карбоната.

Типичные ошибки

Считать H₂CO₃ устойчивой кислотой, которую можно выделить из раствора. Так ошибаются, потому что записывают формулу кислоты отдельно от равновесия с CO₂ и водой. Проверьте себя: для угольной кислоты возможно обратимое превращение H₂CO₃ ⇄ CO₂ + H₂O, поэтому в растворе её мало.

Путать карбонат CO₃²⁻ и гидрокарбонат HCO₃⁻. При записи формулы можно потерять атом водорода или не учесть, что заряд иона изменился с −2 на −1. Сверьте индекс и заряд перед составлением соли: Na₂CO₃ содержит CO₃²⁻, а NaHCO₃ — HCO₃⁻.

Утверждать, что все соли угольной кислоты нерастворимы. Это обобщение возникает, если запомнить только осадок CaCO₃. Большинство карбонатов действительно нерастворимо, но соли натрия, калия и аммония растворимы, а гидрокарбонаты обычно растворимы. Проверяйте вид соли и катион.

Записывать выделение CO₂ без образования воды или нарушать коэффициенты. Причина ошибки — попытка составить продукты, не проверив число атомов и зарядов. Для карбоната и кислоты проверьте уравнение CO₃²⁻ + 2H⁺ → CO₂ + H₂O: два атома водорода дают воду, а число атомов каждого элемента совпадает с обеих сторон.

Связь с другими темами

Чтобы разбираться в этой теме, нужно знать, как устроены кислоты и соли, как определять заряды ионов и составлять формулы электрически нейтральных веществ. Свойства солей связаны с оксидом углерода(IV): CO₂ взаимодействует с водой и основаниями, образуя вещества углеродного ряда. Карбонаты встречаются в известковых породах, а растворённые гидрокарбонаты участвуют в круговороте углерода. Реакция с выделением CO₂ служит примером качественного распознавания ионов.

Что запомнить

• H₂CO₃ — слабая и неустойчивая двухосновная кислота.
• Карбонат-ион имеет состав CO₃²⁻, гидрокарбонат-ион — HCO₃⁻.
• Карбонаты и гидрокарбонаты реагируют с кислотами с выделением CO₂.
• Раствор углекислого газа в воде содержит лишь небольшое количество H₂CO₃.
• Многие гидрокарбонаты при нагревании превращаются в карбонаты, CO₂ и воду.
• По выделению CO₂ при действии кислоты можно обнаружить карбонаты и гидрокарбонаты.