19.6. Угольная кислота и её соли — карбонаты

Определения и обозначения

Угольная кислота H₂CO₃ — слабая двухосновная кислота, существующая в водном растворе в равновесии с углекислым газом и водой. Слабой называют кислоту, которая лишь частично образует ионы в растворе. Формула H₂CO₃ показывает, что кислота может последовательно отдать два иона водорода.

Карбонат-ион CO₃²⁻ — анион, образующийся при отщеплении от угольной кислоты двух ионов водорода. Его заряд равен −2, поэтому в формулах солей он уравновешивает суммарный положительный заряд катионов. Например, для компенсации заряда одного CO₃²⁻ нужны два иона Na⁺.

Гидрокарбонат-ион HCO₃⁻ — анион, образующийся при отщеплении от угольной кислоты одного иона водорода. Он сохраняет атом водорода и имеет заряд −1. По формуле и заряду можно отличить его от карбонат-иона и правильно составить формулу соли.

Карбонаты и гидрокарбонаты — соли угольной кислоты, содержащие соответственно ионы CO₃²⁻ и HCO₃⁻. В карбонатах весь кислотный водород замещён катионами, а в гидрокарбонатах один атом водорода остаётся в составе аниона. Это различие определяет формулы солей и влияет на их растворимость и превращения.

Как это устроено

Когда CO₂ растворяется в воде, часть его молекул взаимодействует с водой и образует H₂CO₃, а часть остаётся в виде растворённого газа. Между этими формами устанавливается равновесие: CO₂ + H₂O ⇄ H₂CO₃. Угольную кислоту считают слабой, потому что она ионизируется лишь частично, и неустойчивой, потому что может снова распасться на воду и углекислый газ.

Два атома водорода в H₂CO₃ могут отщепляться по очереди. Сначала образуется HCO₃⁻, а при дальнейшей потере H⁺ — CO₃²⁻; эти стадии описывают уравнениями H₂CO₃ ⇄ H⁺ + HCO₃⁻ и HCO₃⁻ ⇄ H⁺ + CO₃²⁻. Поэтому у кислоты два ряда солей: гидрокарбонаты и карбонаты. Они различаются тем, сколько водорода осталось в кислотном остатке.

Растворимость солей определяется не только общим названием, но и катионом. Карбонаты натрия, калия и аммония растворимы, а многие карбонаты других металлов, например кальция, в воде практически не растворяются и дают осадки. Гидрокарбонаты обычно растворимы лучше, поэтому нельзя автоматически переносить на них правила растворимости карбонатов. При составлении уравнений осаждения проверяют растворимость именно тех веществ, которые получаются.

Карбонат реагирует с кислотой потому, что ионы H⁺ связываются с CO₃²⁻. Сначала возникает H₂CO₃, которая распадается на CO₂ и H₂O; удаление газа из раствора поддерживает ход реакции. Сокращённое ионное уравнение имеет вид CO₃²⁻ + 2H⁺ → CO₂↑ + H₂O, а для гидрокарбоната нужно только H⁺: HCO₃⁻ + H⁺ → CO₂↑ + H₂O. Стрелка вверх указывает на выделение газа.

При нагревании гидрокарбонаты обычно превращаются в карбонаты, углекислый газ и воду, например 2NaHCO₃ → Na₂CO₃ + CO₂ + H₂O. Многие карбонаты разлагаются на оксид металла и CO₂: CaCO₃ → CaO + CO₂. Устойчивость зависит от катиона: карбонаты щелочных металлов, кроме карбоната лития, обычно устойчивы к нагреванию сильнее, чем карбонаты многих других металлов. Поэтому при записи термического разложения нужно учитывать конкретную соль.

Состав, растворимость и характерные превращения соединений угольной кислоты

Сначала определите, какая частица входит в состав вещества: HCO₃⁻ или CO₃²⁻. Затем проверьте растворимость соли и выберите характерное превращение из последнего столбца. Таблица помогает не смешивать свойства карбонатов и гидрокарбонатов, но для нагревания всегда учитывайте состав конкретной соли.

Разбор задач

Реакция карбоната натрия с избытком соляной кислоты

Условие: запишите уравнение реакции Na₂CO₃ с избытком HCl и назовите газообразный продукт. Карбонат-ион при взаимодействии с кислотой принимает два иона H⁺, поэтому на одну формульную единицу Na₂CO₃ нужны две молекулы HCl. Избыток кислоты не меняет состав продуктов этой реакции.

1. Записываем формулы исходных веществ: Na₂CO₃ + HCl.
2. Определяем продукты: соль NaCl, вода и CO₂.
3. Уравниваем число атомов натрия и хлора: Na₂CO₃ + 2HCl → 2NaCl + H₂O + CO₂↑.

Ответ: Na₂CO₃ + 2HCl → 2NaCl + H₂O + CO₂↑; газообразный продукт — углекислый газ CO₂.

Осаждение карбоната кальция

Условие: к раствору Na₂CO₃ добавили раствор CaCl₂. Чтобы понять, пойдёт ли реакция, меняем местами катионы и проверяем растворимость продуктов: NaCl растворим, а CaCO₃ образует осадок. Именно появление малорастворимого вещества позволяет записать реакцию обмена.

1. Молекулярное уравнение: Na₂CO₃ + CaCl₂ → CaCO₃↓ + 2NaCl.
2. В полном ионном уравнении растворимые соли записываем ионами: 2Na⁺ + CO₃²⁻ + Ca²⁺ + 2Cl⁻ → CaCO₃↓ + 2Na⁺ + 2Cl⁻.
3. Ионы Na⁺ и Cl⁻ не меняются, поэтому сокращаем их: Ca²⁺ + CO₃²⁻ → CaCO₃↓.

Ответ: молекулярное уравнение приведено выше, сокращённое ионное — Ca²⁺ + CO₃²⁻ → CaCO₃↓. Признак реакции — образование белого осадка карбоната кальция.

Расчёт массы карбоната кальция

Условие: при прокаливании CaCO₃ получили 4,48 л CO₂ при нормальных условиях. Уравнение реакции CaCO₃ → CaO + CO₂ показывает, что одному молю карбоната соответствует один моль углекислого газа. При нормальных условиях молярный объём газа равен 22,4 л/моль.

1. Находим количество CO₂: n(CO₂) = V/Vₘ = 4,48/22,4 = 0,20 моль.
2. По коэффициентам уравнения n(CaCO₃) = n(CO₂) = 0,20 моль.
3. Молярная масса CaCO₃ равна 40 + 12 + 3 × 16 = 100 г/моль. Тогда m = nM = 0,20 × 100 = 20 г.

Ответ: разложилось 20 г CaCO₃. Равенство количеств веществ следует именно из коэффициентов реакции, поэтому при других коэффициентах отношение нужно было бы пересчитать.

Типичные ошибки

Ошибка — считать H₂CO₃ устойчивым веществом и не учитывать CO₂ и H₂O. Так кажется, если воспринимать формулу кислоты отдельно от водного раствора, но в растворе между веществами устанавливается равновесие. Проверка: вспомните обратимость превращения CO₂ + H₂O ⇄ H₂CO₃ и возможность выделения газа.

Ошибка — путать состав и заряды ионов CO₃²⁻ и HCO₃⁻. Причина обычно в том, что названия отличаются только приставкой, а формулы записывают по памяти. Проверка: в гидрокарбонат-ионе есть H и заряд −1, в карбонат-ионе атома H нет, а заряд равен −2.

Ошибка — ожидать выделения CO₂ при реакции любой соли с кислотой. Газ образуется не из любой соли, а при наличии карбонат-иона или гидрокарбонат-иона, которые реагируют с H⁺. Перед записью продуктов проверьте состав кислотного остатка в формуле исходной соли.

Ошибка — объявлять все карбонаты нерастворимыми или считать растворимость гидрокарбонатов такой же. Обобщение возникает из знакомства с осадком CaCO₃, но карбонаты натрия, калия и аммония растворимы, а гидрокарбонаты обычно растворяются лучше. Проверка: учитывайте катион и отдельно сверяйте класс соли — карбонат это или гидрокарбонат.

Связь с другими темами

Для работы с карбонатами нужны знания о диссоциации кислот и солей, зарядах ионов и составлении молекулярных и сокращённых ионных уравнений. Эти правила связывают формулы веществ с наблюдаемыми признаками реакций, например выделением газа или выпадением осадка. Позже они помогут разбирать равновесия в растворах, качественные реакции на ионы и круговорот углерода.

Превращения карбонатов и гидрокарбонатов объясняют, почему состав воды влияет на образование накипи и жёсткость. Те же соединения входят в состав природных минералов, поэтому их свойства важны для понимания геологических процессов. Умение различать два ряда солей помогает объяснить, как растворённые вещества переходят в осадки и обратно.

Что запомнить

• Угольная кислота — слабая двухосновная кислота.
• H₂CO₃ связана равновесием с CO₂ и H₂O.
• Гидрокарбонат-ион имеет формулу HCO₃⁻, карбонат-ион — CO₃²⁻.
• Карбонаты и гидрокарбонаты образуют два ряда солей угольной кислоты.
• Карбонаты реагируют с кислотами с выделением CO₂.
• Большинство карбонатов при нагревании разлагается, но устойчивость зависит от состава соли.