"Химия", Савинкина Е.В., Логинова Г.П.; под ред. Вахрушева А.А.
Диоксид углерода CO₂ — не только газ, который выделяется при дыхании и горении: растворяясь в воде, он может образовать угольную кислоту H₂CO₃. Эта кислота слабая и неустойчивая, поэтому реакция идёт в обе стороны: угольная кислота способна снова распадаться на воду и CO₂. Разберём, как записать превращение, почему раствор проявляет кислотные свойства и как решать задачи на количество веществ.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Диоксид углерода — газ CO₂, который растворяется в воде и при определённых условиях образует угольную кислоту. Его формула показывает, что одна молекула содержит один атом углерода и два атома кислорода. Знание формулы нужно, чтобы правильно записывать состав вещества и уравнения реакций.
Угольная кислота — слабая, неустойчивая кислота H₂CO₃, возникающая при взаимодействии диоксида углерода с водой. Слабой её называют потому, что в водном растворе она распадается на ионы лишь частично. Неустойчивость объясняет, почему кислота может снова превратиться в воду и CO₂.
Кислотный оксид — оксид, который взаимодействует с водой с образованием кислоты. Диоксид углерода относится к кислотным оксидам, потому что при его взаимодействии с водой образуется H₂CO₃. Это понятие помогает связывать свойства оксидов с веществами, которые могут возникать при их реакции с водой.
Обратимая реакция — реакция, которая может протекать как в прямом, так и в обратном направлении. Для неё используют знак ⇄: он показывает превращение исходных веществ в продукты и возможность обратного процесса. Такую запись применяют для образования угольной кислоты, поскольку она способна разлагаться.
Диоксид углерода растворяется в воде, поэтому при пропускании газа через неё часть молекул CO₂ переходит в раствор. Это происходит потому, что молекулы газа могут распределяться не только в газовой среде, но и между молекулами воды. Однако растворение ещё не означает, что весь газ химически превратился в кислоту: это отдельный процесс, который нужно отличать от реакции.
Растворённый CO₂ взаимодействует с водой с образованием угольной кислоты. Уравнение записывают так: CO₂ + H₂O ⇄ H₂CO₃. В составе продукта есть атомы водорода из воды, поэтому формула кислоты отличается от формулы исходного оксида. Уравнение показывает, какие вещества участвуют в превращении и в каком соотношении они образуются.
Реакция обратима, потому что угольная кислота неустойчива и может разлагаться на воду и диоксид углерода. Обратное превращение записывают так: H₂CO₃ ⇄ CO₂ + H₂O. Если CO₂ покидает раствор в виде газа, равновесие смещается в сторону его выделения, и это можно наблюдать, например, при появлении пузырьков. Поэтому две стрелки точнее одной показывают возможность обоих направлений реакции.
Угольная кислота слабая, поэтому в водном растворе лишь часть её молекул распадается на ионы. Именно ионы, появляющиеся при таком распаде, связаны с кислотными свойствами раствора. Поскольку распад неполный, кислотные свойства выражены слабо: наличие кислоты в растворе не означает, что каждая её молекула распалась на ионы.
Образование кислоты из кислотного оксида и воды — распространённый способ получения кислот. Он помогает предсказывать продукты реакции, если известно, что оксид вступает во взаимодействие с водой. Но это не универсальное правило: не каждый оксид реагирует с водой, поэтому нельзя составлять уравнение только по названию класса вещества. Сначала проверяют, возможно ли такое превращение, а затем записывают формулы и расставляют коэффициенты.
| Вещество или процесс | Формула | Роль воды | Особенность |
|---|---|---|---|
| Диоксид углерода | CO₂ | Растворяет газ и участвует в образовании кислоты | Газ, кислотный оксид |
| Образование угольной кислоты | CO₂ + H₂O ⇄ H₂CO₃ | Вода — участник реакции | Превращение обратимо |
| Угольная кислота | H₂CO₃ | В водном растворе распадается на ионы частично | Слабая и неустойчивая кислота |
| Обратное превращение | H₂CO₃ ⇄ CO₂ + H₂O | Вода образуется при распаде | Может выделяться CO₂ |
Сначала по таблице можно сверить формулы и роль воды в прямом и обратном превращениях. Затем сопоставь особенности веществ: CO₂ — исходный газ, а H₂CO₃ — слабая неустойчивая кислота. Такая проверка помогает не перепутать формулы и правильно выбрать направление реакции.
Нужно указать исходные вещества и продукт, а затем решить, может ли реакция идти обратно. Диоксид углерода имеет формулу CO₂, вода — H₂O, а образующаяся угольная кислота — H₂CO₃. Поскольку кислота неустойчива, в записи следует показать оба направления.
Ответ: CO₂ + H₂O ⇄ H₂CO₃; реакция обратимая.
В этой задаче нужно связать свойства раствора с превращениями веществ в нём. CO₂ взаимодействует с водой, поэтому в растворе образуется H₂CO₃. Но угольная кислота слабая, и её молекулы распадаются на ионы не полностью.
Ответ: раствор проявляет слабые кислотные свойства, потому что в нём образуется слабая угольная кислота, которая лишь частично распадается на ионы.
В условии оговорено полное превращение, поэтому для расчёта используем прямое уравнение CO₂ + H₂O → H₂CO₃. По уравнению одному молю CO₂ соответствует один моль H₂CO₃. Сначала найдём количество кислоты, затем такое же количество CO₂ и его массу.
Ответ: для образования 4,9 г H₂CO₃ потребуется примерно 3,48 г CO₂.
Записывают стрелку только в одну сторону, потому что привычно считают уравнение перечнем исходных веществ и продуктов. Но угольная кислота может разлагаться обратно, поэтому для этой реакции используют знак ⇄. Проверь себя: если в продукте указана H₂CO₃, можно ли из неё получить CO₂ и H₂O? Если да, одной стрелки недостаточно.
Считают, что весь растворённый CO₂ превратился в H₂CO₃, забывая об обратимости реакции. На деле растворение газа и образование кислоты не означают полного превращения всех молекул. Проверь рассуждение по уравнению: знак ⇄ показывает, что возможен обратный ход, а значит, не следует автоматически считать превращение полным.
Путают CO₂ и H₂CO₃, не замечая, что в составе кислоты есть водород. Такое случается, если формулу продукта пытаются угадать по формуле оксида. Сверь состав: в CO₂ нет атомов водорода, а в H₂CO₃ их два; вода поставляет водород для образования кислоты.
Называют угольную кислоту сильной, потому что раствор имеет кислотные свойства. Но наличие таких свойств не означает, что кислота сильная: H₂CO₃ распадается на ионы лишь частично. Проверить себя можно по определению слабой кислоты и по тому, насколько полно она диссоциирует в воде.
Для этой темы понадобятся знания формул оксидов и кислот, а также умение составлять уравнения реакций. Полезно вспомнить свойства CO₂ и то, что газ растворяется в воде: это помогает понять, как вещество попадает в раствор перед химическим превращением. Позднее эти знания пригодятся при изучении кислотных оксидов и кислот. Они также помогают объяснить процессы круговорота углерода в природе, где CO₂ взаимодействует с водой.
Почему угольную кислоту называют неустойчивой?
Угольная кислота может распадаться на воду и диоксид углерода. Поэтому при изменении условий часть CO₂ выделяется из раствора.
Как записать формулу угольной кислоты?
Формула угольной кислоты — H₂CO₃. В её составе два атома водорода, один атом углерода и три атома кислорода.
Почему в уравнении реакции ставят две стрелки?
Две стрелки показывают, что реакция идёт в прямом и обратном направлениях. CO₂ с водой образует H₂CO₃, а угольная кислота может снова распадаться.
Все ли молекулы CO₂ в воде превращаются в угольную кислоту?
Нет. Превращение обратимо, поэтому в растворе остаётся часть растворённого CO₂, а образовавшаяся угольная кислота может разлагаться обратно.
Почему раствор CO₂ в воде проявляет кислотные свойства?
Растворённый CO₂ взаимодействует с водой, образуя угольную кислоту. Она частично распадается на ионы, поэтому раствор проявляет слабые кислотные свойства.
§ 35. Диоксид углерода превращается в угольную кислоту
