§ 32. Угольная кислота и ее соли

Определения и обозначения

Угольная кислота H₂CO₃ — слабая, неустойчивая двухосновная кислота. Два атома водорода в её формуле могут последовательно отделяться в виде ионов H⁺. Это объясняет, почему у кислоты есть два этапа диссоциации и почему она образует разные виды солей.

Карбонаты — соли угольной кислоты, содержащие карбонат-ион CO₃²⁻. Примеры: карбонат кальция CaCO₃ и карбонат натрия Na₂CO₃. Заряд иона равен −2, поэтому для нейтральной соли его уравновешивают положительные заряды катионов.

Гидрокарбонаты — кислые соли угольной кислоты, в составе которых есть гидрокарбонат-ион HCO₃⁻. Например, NaHCO₃ — гидрокарбонат натрия, а Ca(HCO₃)₂ — гидрокарбонат кальция. В отличие от карбоната, гидрокарбонат содержит атом водорода и имеет заряд −1.

Качественная реакция на углекислый газ — его взаимодействие с известковой водой, водным раствором гидроксида кальция. При этом появляется малорастворимый карбонат кальция CaCO₃, поэтому раствор мутнеет. Этот признак позволяет обнаружить CO₂ среди газов.

Как это устроено

Когда углекислый газ растворяется в воде, часть его молекул соединяется с водой с образованием H₂CO₃: CO₂ + H₂O ⇄ H₂CO₃. Двойная стрелка показывает, что реакция идёт в обе стороны. Угольная кислота неустойчива: она снова превращается в воду и CO₂, поэтому не накапливается в растворе как прочное вещество.

Две ступени диссоциации связаны с двумя атомами водорода в молекуле кислоты. Сначала отделяется один ион: H₂CO₃ ⇄ H⁺ + HCO₃⁻; затем гидрокарбонат-ион может отдать ещё один: HCO₃⁻ ⇄ H⁺ + CO₃²⁻. На каждой ступени меняются и заряд частицы, и состав иона, что и приводит к образованию гидрокарбонатов и карбонатов.

При нейтрализации результат зависит от того, сколько щёлочи добавили. Если её недостаточно для связывания обоих атомов водорода, образуется гидрокарбонат: H₂CO₃ + NaOH → NaHCO₃ + H₂O. При достаточном количестве щёлочи получается карбонат: H₂CO₃ + 2NaOH → Na₂CO₃ + 2H₂O. Поэтому нельзя выбирать формулу соли, не учитывая соотношение реагентов.

Ионы CO₃²⁻ и HCO₃⁻ взаимодействуют с кислотой: ионы водорода помогают образовать неустойчивую угольную кислоту, которая распадается на воду и CO₂. Например, CaCO₃ + 2HCl → CaCl₂ + H₂O + CO₂↑. Признаки реакции — пузырьки газа и постепенное растворение карбоната, если образующаяся соль растворима.

При нагревании многие гидрокарбонаты распадаются, потому что их состав может перестроиться с выделением воды и CO₂. Для гидрокарбоната натрия уравнение имеет вид: 2NaHCO₃ → Na₂CO₃ + CO₂↑ + H₂O. Проверка атомов показывает, что коэффициент 2 нужен перед NaHCO₃, чтобы число атомов натрия и водорода совпало по обе стороны уравнения.

Угольная кислота и её соли: состав и характерные превращения

Сначала определите, какой ион входит в состав вещества: наличие H в HCO₃⁻ указывает на гидрокарбонат. Затем сопоставьте формулу с характерным превращением и проверьте, сохраняется ли число атомов в уравнении. Таблица помогает быстро отличать две соли и выбирать ожидаемые продукты реакции.

Разбор задач

Уравнение реакции углекислого газа с водой

Условие. Запишите уравнение реакции углекислого газа с водой и укажите, почему её считают обратимой. Нужно показать образование угольной кислоты и объяснить смысл знака между веществами. Отдельно проверьте, сохраняется ли состав элементов.

1. Угольная кислота образуется при соединении CO₂ с H₂O, поэтому записываем эти формулы слева, а H₂CO₃ — справа.
2. Считаем атомы: слева один атом углерода, два водорода и три кислорода; справа их столько же.
3. Ставим знак ⇄, потому что H₂CO₃ способна разлагаться обратно на CO₂ и H₂O.

Ответ. CO₂ + H₂O ⇄ H₂CO₃. Реакция обратима, так как угольная кислота неустойчива и может распадаться на исходные вещества.

Карбонат кальция и соляная кислота

Условие. Составьте уравнение реакции CaCO₃ с соляной кислотой и назовите продукты. Подсказка: карбонат при взаимодействии с кислотой даёт соль, воду и углекислый газ. Формулу соли определяем по катиону кальция и аниону хлорида.

1. Записываем схему: CaCO₃ + HCl → CaCl₂ + H₂O + CO₂.
2. В CaCl₂ два атома хлора, поэтому ставим коэффициент 2 перед HCl.
3. Проверяем атомы водорода и кислорода: два H образуют H₂O, а три O распределены между H₂O и CO₂. Коэффициенты остальных веществ равны 1.

Ответ. CaCO₃ + 2HCl → CaCl₂ + H₂O + CO₂↑. Продукты — хлорид кальция, вода и углекислый газ.

Гидрокарбонат натрия и избыток кислоты

Условие. К раствору NaHCO₃ добавили избыток соляной кислоты. Запишите уравнение и объясните, как обнаружить выделившийся газ. Избыток кислоты не меняет набор продуктов, а помогает довести реакцию до конца.

1. Гидрокарбонат реагирует с кислотой с образованием соли, воды и CO₂: NaHCO₃ + HCl → NaCl + H₂O + CO₂.
2. Проверяем баланс: Na и Cl стоят по одному с каждой стороны; H, C и O также уравнены, поэтому дополнительные коэффициенты не нужны.
3. Пропускаем газ через известковую воду. Появление белой мути указывает на образование CaCO₃: CO₂ + Ca(OH)₂ → CaCO₃↓ + H₂O.

Ответ. NaHCO₃ + HCl → NaCl + H₂O + CO₂↑. Углекислый газ обнаруживают по помутнению известковой воды.

Типичные ошибки

Считать угольную кислоту устойчивой и выделяемой в чистом виде — значит забыть о равновесии с CO₂ и водой. Такая ошибка возникает, когда запись H₂CO₃ принимают за описание устойчивого вещества, как у многих других кислот. Проверьте себя: для угольной кислоты нужно помнить обратимое превращение CO₂ + H₂O ⇄ H₂CO₃.

Путать CO₃²⁻ и HCO₃⁻ — значит не заметить атом водорода и разницу зарядов ионов. Часто формулы смешивают из-за похожих названий солей. Сверьте число атомов: у карбонат-иона водорода нет, а у гидрокарбонат-иона он есть; затем проверьте, уравновешен ли заряд в формуле соли.

Записывать при реакции кислоты со щёлочью только карбонат неверно, если щёлочи недостаточно. Причина ошибки — предположение, что оба атома водорода кислоты обязательно заменяются за один раз. Проверьте количество вещества щёлочи: один моль NaOH на моль H₂CO₃ даёт NaHCO₃, а два моля — Na₂CO₃.

Помутнение известковой воды не доказывает наличие любой кислоты: этот признак связан с образованием CaCO₃ при пропускании CO₂. Ошибку допускают, смешивая проверку газа с общими признаками кислотной среды. Проверьте ход опыта: газ должен поступать в известковую воду, а помутнение объясняется осадком карбоната кальция.

Связь с другими темами

Для этой темы нужны знания о составе кислот и солей, ионах и электролитической диссоциации, а также навыки составления и уравнивания реакций. Они помогают понять, как из двухосновной кислоты получаются разные ионы и соли. Тема пригодится при изучении круговорота углерода, природных вод и карбонатных пород: карбонаты входят в состав известняка и мела. Реакция с известковой водой также служит качественной проверкой углекислого газа.

Что запомнить

• Угольная кислота H₂CO₃ — слабая и неустойчивая.
• Угольная кислота двухосновная и диссоциирует ступенчато.
• Гидрокарбонат-ион имеет формулу HCO₃⁻, карбонат-ион — CO₃²⁻.
• При взаимодействии карбонатов или гидрокарбонатов с кислотами выделяется CO₂.
• Углекислый газ мутнит известковую воду из-за образования CaCO₃.
• При нагревании гидрокарбонаты могут разлагаться с образованием карбоната, CO₂ и воды.