31. Угольная кислота и ее соли

Определения и обозначения

Угольная кислота H₂CO₃ — слабая, неустойчивая двухосновная кислота, образующаяся при растворении углекислого газа в воде. Двухосновной называют кислоту, способную отдать два иона водорода. Неустойчивость объясняет, почему H₂CO₃ существует в растворе и легко распадается.

Карбонаты — соли угольной кислоты, содержащие карбонат-ион CO₃²⁻. Например, Na₂CO₃ — карбонат натрия. Заряд иона −2 помогает правильно составлять формулы солей и уравнивать реакции.

Гидрокарбонаты — кислые соли угольной кислоты, содержащие гидрокарбонат-ион HCO₃⁻. В их составе остаётся один атом водорода от кислоты, поэтому они отличаются от средних солей-карбонатов. Пример такой соли — NaHCO₃, гидрокарбонат натрия.

Углекислый газ CO₂ — кислотный оксид, взаимодействующий с водой с образованием угольной кислоты. Его формула показывает, что в молекуле есть один атом углерода и два атома кислорода. Свойства CO₂ связывают эту тему с кислотными оксидами и реакциями обмена.

Как это устроено

Молекула CO₂ при растворении окружена молекулами воды, и между ними происходит химическое взаимодействие: CO₂ + H₂O ⇄ H₂CO₃. Обратная стрелка нужна потому, что образовавшаяся угольная кислота снова распадается на воду и углекислый газ. В растворе устанавливается равновесие, поэтому большая часть растворённого CO₂ остаётся именно в виде физических растворённых молекул газа.

Угольная кислота отдаёт ионы водорода не сразу, а по очереди. Сначала происходит первая ступень: H₂CO₃ ⇄ H⁺ + HCO₃⁻. Вторая ступень записывается так: HCO₃⁻ ⇄ H⁺ + CO₃²⁻, причём она протекает слабее, поскольку второй ион водорода отщепить труднее.

Если кислота полностью замещает оба атома водорода ионами металла, образуется средняя соль — карбонат. При замещении только одного атома водорода получается кислая соль — гидрокарбонат. Поэтому Na₂CO₃ содержит CO₃²⁻, а NaHCO₃ содержит HCO₃⁻.

При добавлении кислоты к карбонату ионы H⁺ соединяются с CO₃²⁻, а к гидрокарбонату — с HCO₃⁻. В обоих случаях возникает H₂CO₃, которая распадается на H₂O и CO₂. Поэтому пузырьки газа при действии кислоты служат качественным признаком карбонат- и гидрокарбонат-ионов.

Нагревание ускоряет распад неустойчивой угольной кислоты, а многие её соли тоже разлагаются при повышенной температуре. Гидрокарбонаты обычно дают карбонат, воду и CO₂, например 2NaHCO₃ → Na₂CO₃ + H₂O + CO₂. Многие карбонаты при нагревании образуют оксид металла и CO₂, но устойчивость солей зависит от конкретного металла.

Угольная кислота, карбонаты и гидрокарбонаты

Сначала по строке «Формула или общий состав» определяйте, к какой группе относится вещество. Затем сравнивайте ионный состав и поведение при нагревании, чтобы не путать карбонаты с гидрокарбонатами. Строка о реакциях с кислотами помогает выбрать качественную реакцию и записать продукты.

Разбор задач

Задача 1

Запишем образование угольной кислоты из CO₂ и её диссоциацию. Нужно показать обратимость образования кислоты и две последовательные отдачи ионов водорода. Поэтому уравнения будут следующими.

1. CO₂ + H₂O ⇄ H₂CO₃.
2. H₂CO₃ ⇄ H⁺ + HCO₃⁻.
3. HCO₃⁻ ⇄ H⁺ + CO₃²⁻.

Ответ: угольная кислота образуется обратимо, а диссоциация проходит в две ступени. Вторая ступень образует карбонат-ион.

Задача 2

Найдём объём CO₂, выделившегося из 10,6 г Na₂CO₃ при избытке HCl. Избыток кислоты означает, что весь карбонат прореагирует. Уравнение реакции: Na₂CO₃ + 2HCl → 2NaCl + H₂O + CO₂.

1. M(Na₂CO₃) = 106 г/моль, поэтому n = 10,6 / 106 = 0,10 моль.
2. По уравнению 1 моль Na₂CO₃ даёт 1 моль CO₂, значит n(CO₂) = 0,10 моль.
3. При н. у. V_m = 22,4 л/моль, поэтому V(CO₂) = 0,10 · 22,4 = 2,24 л.

Ответ: выделится 2,24 л CO₂. Соотношение веществ берём из коэффициентов уравнения, а не из названий солей.

Задача 3

Пусть в смеси x моль Na₂CO₃ и y моль NaHCO₃. Обе соли при реакции с избытком кислоты дают по одному молю CO₂, поэтому x + y = 2,24 / 22,4 = 0,10 моль. По массе смеси получаем второе уравнение: 106x + 84y = 9,5.

1. Из x + y = 0,10 находим y = 0,10 − x.
2. Подставляем: 106x + 84(0,10 − x) = 9,5, откуда 22x = 1,1 и x = 0,05 моль.
3. Тогда y = 0,05 моль; m(Na₂CO₃) = 0,05 · 106 = 5,3 г, а m(NaHCO₃) = 0,05 · 84 = 4,2 г.

Ответ: в смеси 5,3 г Na₂CO₃ и 4,2 г NaHCO₃. Проверка: 5,3 + 4,2 = 9,5 г, а количество газа равно 0,10 моль.

Типичные ошибки

Считать угольную кислоту устойчивым веществом неправильно, потому что она постоянно связана с равновесием CO₂ и H₂O. Ошибку допускают, если воспринимают стрелку образования как необратимую. Проверка: для H₂CO₃ всегда учитывайте знак ⇄.

Путать CO₃²⁻ и HCO₃⁻ нельзя: первый ион относится к карбонатам, второй — к гидрокарбонатам. Из-за этого появляются неверные формулы NaCO₃ или Na₂HCO₃. Проверьте заряд: два Na⁺ нужны для CO₃²⁻, а один — для HCO₃⁻.

В реакции карбоната с кислотой должны появиться соль, вода и CO₂. Ошибка возникает, когда записывают только обмен и забывают разложение угольной кислоты. Проверьте число атомов и зарядов в обеих частях уравнения.

Нельзя считать, что все карбонаты при нагревании разлагаются одинаково. Гидрокарбонаты обычно дают карбонат, воду и CO₂, а многие карбонаты — оксид и CO₂; устойчивость зависит от металла. Перед записью реакции определите, какая именно соль нагревается.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужны знания о кислотах, основаниях, солях, кислотных оксидах и реакциях обмена. Эти представления помогают объяснить образование H₂CO₃ и реакции карбонатов с кислотами.

Угольная кислота и её соли связаны с круговоротом углерода, жёсткостью воды и природными минералами. Свойства карбонатов используют при получении CO₂, а уравнения реакций — в расчётных задачах и качественном анализе.

Что запомнить

• Угольная кислота имеет формулу H₂CO₃ и является слабой неустойчивой двухосновной кислотой.
• CO₂ + H₂O ⇄ H₂CO₃.
• Карбонаты содержат ион CO₃²⁻, а гидрокарбонаты — ион HCO₃⁻.
• Угольная кислота диссоциирует ступенчато.
• Карбонаты и гидрокарбонаты реагируют с кислотами с выделением CO₂.
• При нагревании гидрокарбонаты обычно превращаются в карбонаты, воду и CO₂.
• Выделение CO₂ при действии кислоты — качественный признак карбонатов.