"Химия", Еремин В.В., Кузьменко Н.Е. и др.
Угольная кислота H₂CO₃ образуется, когда углекислый газ растворяется в воде, но существует недолго и распадается обратно. Её соли встречаются в природе и важны в химических реакциях. Если в кислотном остатке сохраняются атомы водорода, получаются гидрокарбонаты; если водороды замещены металлом — карбонаты. При действии кислоты на обе группы солей выделяется CO₂, а нагревание может разлагать их.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Угольная кислота H₂CO₃ — слабая, неустойчивая двухосновная кислота. Двухосновной называют кислоту, в которой два атома водорода могут замещаться металлом. В воде угольная кислота связана с растворённым углекислым газом, поэтому её формула помогает описывать свойства растворов CO₂.
Карбонаты — соли угольной кислоты, в которых кислотный остаток — карбонат-ион CO₃²⁻. Примеры таких солей: карбонат кальция CaCO₃ и карбонат натрия Na₂CO₃. По заряду иона можно понять, сколько катионов металла нужно для нейтральной формулы.
Гидрокарбонаты — кислые соли угольной кислоты, содержащие гидрокарбонат-ион HCO₃⁻. В отличие от карбонат-иона, он сохраняет атом водорода и имеет заряд −1. Например, NaHCO₃ — гидрокарбонат натрия; сопоставление ионов помогает не путать формулы двух видов солей.
Качественная реакция на карбонат-ионы — взаимодействие вещества с кислотой, сопровождающееся выделением углекислого газа. Наблюдаемый признак — появление пузырьков, то есть выделение газа. Такая проба позволяет проверить, содержит ли образец карбонаты.
Угольная кислота образуется, когда CO₂ растворяется в воде: часть растворённого газа связывается с водой. Однако равновесие легко смещается обратно, и H₂CO₃ распадается на воду и углекислый газ. Поэтому угольная кислота существует в растворе в небольшом количестве и не ведёт себя как устойчивое вещество, которое можно выделить и хранить обычным способом.
В молекуле H₂CO₃ есть два атома водорода, способных замещаться катионами металлов. Если замещён только один водород, в остатке сохраняются H и получается ион HCO₃⁻; соли с ним называют гидрокарбонатами. Если замещены оба водорода, остаётся CO₃²⁻ и образуются карбонаты. Такое поэтапное замещение объясняет, почему у одной кислоты есть два вида солей.
Различие зарядов определяет соотношение частиц в формулах. Для карбоната кальция достаточно одного Ca²⁺ на один CO₃²⁻, а для карбоната натрия нужны два Na⁺ на один CO₃²⁻. У гидрокарбонат-иона заряд −1, поэтому с Na⁺ он соединяется в отношении один к одному: NaHCO₃. При составлении формулы суммарный положительный и отрицательный заряды должны компенсироваться.
Кислота отдаёт ионы водорода, которые соединяются с карбонат-ионом; в итоге сначала возникает H₂CO₃. Она неустойчива и распадается на H₂O и CO₂, поэтому пузырьки газа появляются прямо в реакционной смеси. Чтобы подтвердить, что это именно углекислый газ, его пропускают через известковую воду: образуется малорастворимый CaCO₃, и жидкость мутнеет. Помутнение — отдельный результат реакции газа с известковой водой, а не сам признак выделения газа.
При нагревании многие карбонаты распадаются на оксид металла и углекислый газ, например CaCO₃ → CaO + CO₂. Гидрокарбонаты обычно разлагаются легче, потому что из них образуются сразу карбонат, CO₂ и вода. При нагревании гидрокарбоната натрия протекает реакция 2NaHCO₃ → Na₂CO₃ + CO₂ + H₂O. Коэффициент 2 нужен, чтобы число атомов каждого элемента совпадало в обеих частях уравнения.
| Сравниваемый признак | Угольная кислота | Карбонаты | Гидрокарбонаты |
|---|---|---|---|
| Формула или состав иона | H₂CO₃ | CO₃²⁻ | HCO₃⁻ |
| Основность или заряд иона | Двухосновная кислота | Заряд иона −2 | Заряд иона −1 |
| Пример вещества | H₂CO₃ | CaCO₃, Na₂CO₃ | NaHCO₃ |
| Взаимодействие с кислотами | Распадается на воду и CO₂ | Выделяется CO₂ | Выделяется CO₂ |
| Поведение при нагревании | Неустойчива, распадается | Многие разлагаются на оксид и CO₂ | Обычно разлагаются легче; возможны карбонат, CO₂ и вода |
Сначала сравнивайте состав и заряд кислотных остатков: наличие H отличает гидрокарбонат от карбоната. Затем проверьте, уравновешивают ли заряды катион и анион в примере формулы. Последние две строки помогают предсказать характерные реакции веществ.
Нужно составить электронейтральные формулы, то есть такие, где суммарный заряд равен нулю. Ионы кальция и натрия имеют заряды Ca²⁺ и Na⁺, а карбонат- и гидрокарбонат-ионы — CO₃²⁻ и HCO₃⁻. Подбираем наименьшее целое соотношение частиц.
Ответ: карбонат кальция — CaCO₃, гидрокарбонат натрия — NaHCO₃.
При реакции кислоты с карбонатом образуется соль и угольная кислота. Последняя распадается, поэтому в итоговом уравнении записывают воду и CO₂. Подбираем коэффициенты так, чтобы число атомов каждого элемента и общий заряд совпадали с обеих сторон.
Итог: Na₂CO₃ + 2HCl → 2NaCl + H₂O + CO₂↑. Признак реакции — выделение пузырьков углекислого газа. При пропускании газа через известковую воду она мутнеет.
При нагревании реакция идёт по уравнению 2NaHCO₃ → Na₂CO₃ + CO₂ + H₂O. По нему из двух молей NaHCO₃ получается один моль CO₂. Сначала найдём количество исходного вещества, а затем применим это соотношение и молярный объём газа при н. у., равный 22,4 л/моль.
Ответ: n(CO₂) ≈ 0,0595 моль, V(CO₂) ≈ 1,33 л. Расчёт предполагает, что гидрокарбонат полностью разложился и газ измерен при нормальных условиях.
Угольную кислоту иногда считают устойчивой, как многие другие кислоты, и ожидают, что она сохранится после образования в растворе. Но H₂CO₃ распадается на воду и CO₂, поэтому её не следует записывать как устойчивый конечный продукт реакции карбоната с кислотой. Проверьте себя: если в уравнении после реакции остаётся H₂CO₃, замените её на H₂O и CO₂.
Карбонат CO₃²⁻ и гидрокарбонат HCO₃⁻ легко перепутать, если не проверить состав и заряд. В гидрокарбонат-ионе есть дополнительный атом водорода, а отрицательный заряд равен −1, не −2. Перед составлением формулы выпишите ион целиком и проверьте, компенсируются ли заряды всех частиц.
В уравнении реакции карбоната с кислотой могут забыть о выделении CO₂ и записать только соль. Такая ошибка возникает, если остановиться на обмене ионов, не учтя дальнейшее превращение H₂CO₃. Проверьте цепочку: карбонат + кислота → угольная кислота → вода + углекислый газ.
Помутнение известковой воды иногда называют признаком выделения газа. На самом деле газ наблюдают по пузырькам, а помутнение возникает позже, когда CO₂ реагирует с Ca(OH)₂ и образует CaCO₃. Чтобы не смешивать эти наблюдения, укажите отдельно, где выделился газ, а где образовался осадок.
Для этой темы нужны знания о составе кислот и солей, зарядах ионов и составлении электронейтральных формул. Она продолжает изучение углекислого газа: карбонаты служат одним из источников CO₂ в лабораторных реакциях, а известковая вода помогает распознать этот газ. Карбонаты кальция входят в состав известняков и других природных пород. Поэтому их свойства связаны с круговоротом углерода и практическими процессами в природе и промышленности.
Почему угольную кислоту считают неустойчивой?
В водном растворе угольная кислота легко распадается на воду и углекислый газ: H₂CO₃ → H₂O + CO₂. Поэтому она не накапливается в растворе в виде устойчивого вещества.
Чем карбонат отличается от гидрокарбоната?
Карбонат содержит ион CO₃²⁻, а гидрокарбонат — HCO₃⁻. В гидрокарбонат-ионе остаётся атом водорода, поэтому заряд этого иона равен −1, а не −2.
Как обнаружить карбонат-ион в веществе?
К образцу добавляют кислоту: при наличии карбонат-ионов выделяются пузырьки CO₂. Газ можно пропустить через известковую воду — она помутнеет из-за образования осадка CaCO₃.
Почему при реакции карбоната с кислотой выделяется углекислый газ?
Сначала карбонат-ион принимает ионы водорода, и образуется угольная кислота. Она неустойчива и распадается на воду и CO₂, который выходит из раствора в виде газа.
Что образуется при нагревании гидрокарбоната натрия?
При нагревании гидрокарбонат натрия разлагается на карбонат натрия, углекислый газ и воду. Уравнение реакции: 2NaHCO₃ → Na₂CO₃ + CO₂ + H₂O.
§ 36. Угольная кислота и её соли
