"Химия", Рудзитис Г.Е., Фельдман Ф.Г.
Угольная кислота H₂CO₃ образуется, когда углекислый газ растворяется в воде, и легко распадается обратно. Она двухосновная: при диссоциации последовательно возникают гидрокарбонат-ион HCO₃⁻ и карбонат-ион CO₃²⁻, поэтому известны два типа её солей. Карбонаты и гидрокарбонаты встречаются в природе и используются человеком. Углерод постоянно переходит между воздухом, водой, организмами и горными породами — этот обмен называют круговоротом углерода.
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, состоящая из двух атомов водорода, одного атома углерода и трёх атомов кислорода. Слово «двухосновная» означает, что её молекула может отдать два протона — иона водорода H⁺. Это свойство помогает понять, почему у кислоты есть два вида кислотных остатков.
Карбонаты — соли угольной кислоты, содержащие карбонат-ион CO₃²⁻. К ним относятся, например, карбонат кальция CaCO₃ и карбонат натрия Na₂CO₃; название солей связано с названием карбонат-иона. По составу и заряду этого иона можно распознавать карбонаты и составлять формулы солей.
Гидрокарбонаты — соли угольной кислоты с ионом HCO₃⁻, в котором сохраняется один атом водорода кислоты. Например, NaHCO₃ — гидрокарбонат натрия, а Ca(HCO₃)₂ — гидрокарбонат кальция. В отличие от карбонатов, их кислотный остаток содержит водород и имеет заряд −1, а не −2.
Круговорот углерода — непрерывный обмен углеродом между атмосферой, живыми организмами, водоёмами и горными породами. Углерод переходит из одной части природы в другую, например из воздуха — в растения, а затем — в организмы животных. Понятие помогает связать химические реакции с процессами жизни и изменениями окружающей среды.
Угольная кислота образуется, когда молекулы углекислого газа растворяются в воде: CO₂ + H₂O ⇄ H₂CO₃. Стрелка в обе стороны показывает, что реакция обратима: частицы кислоты могут снова образовать воду и CO₂. Равновесие смещено так, что большая часть растворённого углекислого газа находится именно в виде CO₂, поэтому угольная кислота существует главным образом в водном растворе и неустойчива.
Двухосновность кислоты проявляется в двух последовательных ступенях: H₂CO₃ ⇄ H⁺ + HCO₃⁻, затем HCO₃⁻ ⇄ H⁺ + CO₃²⁻. На первой ступени отщепляется один протон, и появляется гидрокарбонат-ион; на второй отщепляется ещё один, образуя карбонат-ион. Такой порядок объясняет, почему ионы отличаются и числом атомов водорода, и зарядом.
В зависимости от количества основания кислота отдаёт один или два протона, поэтому получается гидрокарбонат или карбонат. При недостатке NaOH один моль кислоты взаимодействует с одним молем щёлочи: H₂CO₃ + NaOH → NaHCO₃ + H₂O. Если щёлочи достаточно для нейтрализации обоих протонов, уравнение будет таким: H₂CO₃ + 2NaOH → Na₂CO₃ + 2H₂O. Коэффициенты показывают, сколько частиц реагирует и какие заряды должны уравновеситься в соли.
Кислоты вытесняют угольную кислоту из карбонатов, а та распадается на воду и газообразный CO₂. Поэтому в суммарном уравнении реакции карбоната кальция с соляной кислотой записывают CaCO₃ + 2HCl → CaCl₂ + H₂O + CO₂↑. Стрелка вверх обозначает выделение газа; его можно обнаружить, пропустив через известковую воду: она мутнеет из-за осадка CaCO₃. Многие нерастворимые карбонаты при сильном нагревании разлагаются, например CaCO₃ → CaO + CO₂↑.
Углекислый газ связывается водой, а в природной воде может переходить в гидрокарбонаты и карбонаты. Растения поглощают CO₂ при фотосинтезе и включают углерод в органические вещества; животные получают его с пищей. Дыхание, горение и разложение органических остатков возвращают CO₂ в воздух и воду, а осаждение карбонатов переносит углерод в горные породы. Так углерод перемещается между разными природными резервуарами.
| Характеристика | Угольная кислота | Гидрокарбонаты | Карбонаты |
|---|---|---|---|
| Формула или состав иона | H₂CO₃ | HCO₃⁻ | CO₃²⁻ |
| Заряд кислотного остатка | −2 после отщепления двух H⁺ | −1 | −2 |
| Растворимость в воде | Существует преимущественно в растворе | Большинство растворимо | Зависит от катиона; многие нерастворимы |
| Реакция с кислотами | Не относится к солям | Обычно образуются CO₂ и вода | Образуются CO₂ и вода |
| Характерный пример | H₂CO₃ | NaHCO₃ | CaCO₃ |
Сначала сравните формулы ионов: наличие H в HCO₃⁻ отличает гидрокарбонаты от карбонатов. Затем учитывайте заряд остатка, чтобы правильно подобрать число катионов в формуле соли. Строка о растворимости напоминает, что нельзя делать вывод обо всех карбонатах по одному примеру.
Задача 1. Запишите уравнение диссоциации угольной кислоты по двум ступеням и укажите формулы образующихся ионов. Нужно последовательно отделить два атома водорода в виде H⁺. После каждой ступени проверьте, что суммарный заряд слева и справа одинаков.
Ответ: образуются ионы H⁺, HCO₃⁻ и CO₃²⁻; уравнения записаны по ступеням выше.
Задача 2. Составьте уравнение реакции карбоната кальция с соляной кислотой и определите выделяющийся газ. Карбонат вступает в реакцию с кислотой, образуя соль, а угольная кислота распадается. Поэтому к соли и воде нужно добавить газообразный продукт.
Ответ: CaCO₃ + 2HCl → CaCl₂ + H₂O + CO₂↑; выделяется углекислый газ.
Задача 3. Через раствор, содержащий 10,0 г NaOH, пропускают CO₂. Щёлочь полностью прореагировала, CO₂ взят в избытке. Найдите массу Na₂CO₃. Избыток CO₂ не мешает, поскольку по условию образуется карбонат, а количество продукта определяется количеством NaOH.
Ответ: образуется 13,25 г карбоната натрия.
Считать H₂CO₃ устойчивой кислотой. Так могут думать, потому что формулу записывают как формулу обычного вещества. Но угольная кислота легко распадается на CO₂ и H₂O, поэтому проверяйте, не нужно ли учитывать обратимость её образования из углекислого газа и воды.
Путать карбонат-ион CO₃²⁻ с гидрокарбонат-ионом HCO₃⁻. Сходство названий отвлекает от состава и заряда. Пересчитайте атомы водорода и проверьте заряд: у HCO₃⁻ он равен −1, у CO₃²⁻ — −2.
Записывать при реакции карбоната с кислотой только соль и воду. Это происходит, если забыть, что сначала появляется неустойчивая угольная кислота, которая распадается. Проверьте, есть ли в итоговом уравнении CO₂↑, и уравняйте атомы углерода и кислорода.
Считать, что любой карбонат хорошо растворим в воде. Такое обобщение может возникнуть из примеров растворимых солей натрия или калия. Сверяйте растворимость конкретного вещества: например, CaCO₃ практически нерастворим, а растворимость зависит от катиона.
Для понимания темы нужны знания о кислотах, основаниях и солях, ионных зарядах, диссоциации и расстановке коэффициентов. Они помогают различать кислотные остатки, составлять формулы и проверять уравнения реакций. Свойства карбонатов связаны с реакциями обмена и распознаванием газов, а карбонат кальция встречается в известняке и меле. Круговорот углерода объединяет химию с фотосинтезом, дыханием и экологией.
Почему угольную кислоту называют неустойчивой?
В растворе угольная кислота легко распадается на углекислый газ и воду: H₂CO₃ ⇄ CO₂ + H₂O. Поэтому в обычных условиях её нельзя получить и хранить как устойчивое чистое вещество.
Чем карбонат отличается от гидрокарбоната?
Карбонат содержит ион CO₃²⁻, а гидрокарбонат — HCO₃⁻. В гидрокарбонат-ионе остался один атом водорода угольной кислоты, поэтому его заряд равен −1, а заряд карбонат-иона — −2.
Как доказать, что при реакции выделился углекислый газ?
Пропустите выделяющийся газ через известковую воду — прозрачный раствор гидроксида кальция. Если это CO₂, раствор помутнеет из-за образования нерастворимого карбоната кальция: Ca(OH)₂ + CO₂ → CaCO₃↓ + H₂O.
Все ли карбонаты растворяются в воде?
Нет, растворимость зависит от катиона, входящего в состав соли. Например, карбонаты натрия и калия растворимы, а карбонат кальция практически нерастворим.
Какие процессы возвращают углекислый газ в атмосферу?
CO₂ выделяется при дыхании организмов, горении топлива и разложении органических веществ. Он также поступает в атмосферу из водоёмов и при некоторых природных процессах.
§ 35. Угольная кислота и её соли. Круговорот углерода в природе
