Угольная кислота

Угольная кислота - слабая двухосновная кислота с химической формулой \ \ Mathsf {H_2CO_3} . В чистом виде неустойчива [1]. Образуется в малых количествах при растворении углекислого газа в воде [2], в том числе и углекислого газа с воздуха. Образует ряд устойчивых неорганических и органических производных: соли (химия) ( карбонаты и гидрокарбонаты), эфиры, амиды и др.


1. Физические свойства

Молекула угольной кислоты имеет плоскую структуру. Центральный углеродный атом имеет sp ? - гибридизацию. В гидрокарбонат - карбонат -анионов происходит делокализация π-связи. Длина связи C - O в карбонат-ионе составляет 129 пм.

2. Химические свойства

2.1. Равновесие в водных растворах и кислотность

Угольная кислота существует в водных растворах в состоянии равновесия с гидратом диоксида углерода :

\ \ Mathsf {CO_2 \ \ cdot H_2O_ {(p)} \ \ rightleftarrows H_2CO_ {3 (p)}} , константа равновесия при 25 ? C K_p = \ \ frac {\ \ mathsf {[H_2CO_3]}} {\ \ mathsf {[CO_2 \ \ cdot H_2O]}} = 1,70 \ \ cdot 10 ^ {-3}

Скорость прямой реакции 0,039 с -1, обратной - 23 из -1.

В свою очередь растворенный гидрат диоксида углерода находится в равновесии с газообразным диоксидом углерода:

\ \ Mathsf {CO_2 \ \ cdot H_2O_ {(p)} \ \ rightleftarrows CO_2 \ \ uparrow + \ \ H_2O} ]

Данная равновесие при повышении температуры сдвигается вправо, а при повышении давления - влево (подробнее см.. Абсорбция газов).

Угольная кислота подвергается Оборна гидролиза, создавая при этом кислая среда:

\ \ Mathsf {H_2CO_3 + \ \ H_2O \ \ rightleftarrows HCO_3 ^ - + \ \ H_3O ^ +} , константа кислотной диссоциации при 25 ? C K_ {a1} = \ \ frac {\ \ mathsf {[HCO_3 ^ -] \ \ cdot [H_3O ^ +]}} {\ \ mathsf {[H_2CO_3]}} = 2,5 \ \ cdot 10 ^ {-4 }

Однако для практических расчетов чаще используют кажущуюся константу кислотности, учитывающий равновесие угольной кислоты с гидратом диоксида углерода:

K_a '= \ \ frac {\ \ mathsf {[HCO_3 ^ -] \ \ cdot [H_3O ^ +]}} {\ \ mathsf {[CO_2 \ \ cdot H_2O]}} = 4,27 \ \ cdot 10 ^ { -7}

гидрокарбонат -ион подвергается дальнейшему гидролизу по реакции

\ \ Mathsf {HCO_3 ^ - + \ \ H_2O \ \ rightleftarrows CO_3 ^ {2 -} + \ \ H_3O ^ +} , Константа кислотности при 25 ? C K_ {a2} = \ \ frac {\ \ mathsf {[CO_3 ^ {2 -}] \ \ cdot [H_3O ^ +]}} {\ \ mathsf {[HCO_3 ^ -]}} = 4,68 \ \ cdot 10 ^ {-11}

Таким образом, в растворах, содержащих угольную кислоту, создается сложная равновесная система, которую можно представить в общем виде следующим образом:

\ \ Mathsf {CO_2 \ \ uparrow \ \ stackrel {H_2O} {\ \ rightleftarrows} CO_2 \ \ cdot H_2O \ \ rightleftarrows H_2CO_3 \ \ stackrel {-H ^ +} {\ \ rightleftarrows} HCO_3 ^ - \ \ stackrel {- H ^ +} {\ \ rightleftarrows} CO_3 ^ {2 -} (*)}

Значение pH в такой системе, которое соответствует насыщенному раствору диоксида углерода в воде при 25 ? C и давлении 760 мм рт. ст., можно рассчитать по формуле:

\ Mathsf {pH} \ approx - \ frac {1} {2} \ lg (K_a '\ cdot L) = 3,9 , Где L = 0,034 моль / л - растворимость CO 2 в воде при указанных условиях.



2.2. Разложение

При повышении температуры раствора и / или понижении парциального давления диоксида углерода равновесие в системе \ \ Mathsf {(\ \ ast)} смещается влево, что приводит к разложению части угольной кислоты на воду и диоксид углерода. При кипении раствора угольная кислота разлагается полностью:

\ \ Mathsf {H_2CO_3 \ \ longrightarrow H_2O + \ \ CO_2 \ \ uparrow}

2.3. Взаимодействие с основаниями и солями

Угольная кислота вступает в реакции нейтрализации с растворами основ, образуя средние и кислые соли (химия) - карбонаты и гидрокарбонаты соответственно:

\ \ Mathsf {H_2CO_3 + 2 \ \ NaOH} (Конц.) \ \ Mathsf {\ \ longrightarrow Na_2CO_3 + 2 \ \ H_2O} ]
\ \ Mathsf {H_2CO_3 + \ \ NaOH} (Разб.) \ \ Mathsf {\ \ longrightarrow NaHCO_3 + \ \ H_2O} ]
\ \ Mathsf {H_2CO_3 + \ \ Ca (OH) _2 \ \ longrightarrow CaCO_3 \ \ downarrow + 2 \ \ H_2O} ]
\ \ Mathsf {H_2CO_3 + \ \ NH_3 \ \ cdot H_2O \ \ longrightarrow NH_4HCO_3 + \ \ H_2O} ]

При взаимодействии угольной кислоты с карбонатами образуются гидрокарбонаты:

\ \ Mathsf {H_2CO_3 + \ \ Na_2CO_3 \ \ longrightarrow 2 \ \ NaHCO_3}
\ \ Mathsf {H_2CO_3 + \ \ CaCO_3 \ \ longrightarrow Ca (HCO_3) _2}

3. Получение

Угольная кислота образуется при растворении в воде диоксида углерода :

\ \ Mathsf {CO_2 + H_2O \ \ rightleftarrows CO_2 \ \ cdot H_2O \ \ rightleftarrows H_2CO_3}

Содержание угольной кислоты в растворе увеличивается при снижении температуры раствора и увеличении давления углекислого газа.

Также угольная кислота образуется при взаимодействии ее солей (карбонатов и гидрокарбонатов) с более сильной кислотой. При этом большая часть образовалась угольной кислоты, как правило, разлагается на воду и диоксид углерода:

\ \ Mathsf {Na_2CO_3 + 2 \ \ HCl \ \ longrightarrow 2 \ \ NaCl + \ \ H_2CO_3}
\ \ Mathsf {H_2CO_3 \ \ longrightarrow H_2O + \ \ CO_2 \ \ uparrow}

4. Применение

Угольная кислота всегда присутствует в водных растворах углекислого газа (см. Газировка).

В биохимии используется свойство равновесной системы изменять давление газа пропорционально изменению содержания ионов оксония (кислотности) при постоянной температуре. Это позволяет регистрировать в реальном времени ход ферментативных реакций, протекающих с изменением pH раствора.

5. Производные

Угольную кислоту формально можно рассматривать как карбоновую кислоту с гидроксильной группой вместо углеводородного остатка. В этом качестве она может образовывать все производные, характерные для карбоновых кислот [3].

Некоторые представители подобных соединений перечислены в табл.

Класс соединений Пример соединения
Эфиры поликарбонат
хлорангидриды фосген
Амиды мочевина
Нитрилы циановые кислоты
Ангидрид пировуглецева кислота

См.. также

Примечания

  1. Угольная кислота теперь обнаружена и в газовой фазе - пора снова переписывать учебники
  2. Ошибка цитирования: Неправильный вызов : для сносок eq не указан текст
  3. Нейланд Я. Органическая химия. - М.: Высшая школа, 1990. - С. 640 - 652. - ISBN 5-06-001471-1

Литература

  • Лидин Р.А., Молочко В.А., Андреева Л.Л. Реакции неорганических соединений: справочник / Под ред. Г. А. Лидин. - 2-е изд., Перераб. и доп. - М.: Дрофа, 2007. - 637 с. - ISBN 978-5-358-01303-2
  • Лидин Р.А., Андреева Л.Л., Молочко В.А. Константы неорганических соединений: справочник / Под ред. Г. А. Лидин. - 2-е изд., Перераб. и доп. - М.: Дрофа, 2006. - 685 с. - ISBN 5-7107-8085-5


Аммиак Это незавершенная статья о неорганическое соединение.
Вы можете помочь проекту, исправив и дополнив ее.