Угольная кислота

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск
Угольная кислота
Carbonic-acid-2D.png
Carbonic-acid-3D-vdW.png
Систематическое название

Угольная кислота

Химическая формула

H2CO3

Внешний вид

бесцветный раствор

Свойства
Молярная масса

62,03 г/моль

Константа диссоциации pKa

реальные: 1) 3,60;
2) 10,33
кажущаяся[1]: 6,37

Растворимость в воде

0,21[1] г/100 мл

Термодинамические свойства
Стандартная энтальпия образования

−700 кДж/моль

Стандартная молярная энтропия

+187 Дж/(К·моль)

Стандартная энергия образования Гиббса

−623 кДж/моль

Классификация
Регистрационный номер CAS

463-79-6

Код SMILES

C(=O)(O)O

Где это не указано, данные приведены при стандартных условиях (25 °C, 100 кПа).

У́гольная кислота́ — слабая двухосновная кислота с химической формулой \mathsf{H_2CO_3}. В водных растворах неустойчива[2]. Образуется в малых количествах при растворении углекислого газа в воде[1], в том числе и углекислого газа из воздуха. Образует ряд устойчивых неорганических и органических производных: соли (карбонаты и гидрокарбонаты), сложные эфиры, амиды и др.

Физические свойства[править | править вики-текст]

Молекула угольной кислоты имеет плоское строение. Центральный углеродный атом имеет sp²-гибридизацию. В гидрокарбонат- и карбонат-анионах происходит делокализация π-связи. Длина связи C—O в карбонат-ионе составляет 129 пм.

Химические свойства[править | править вики-текст]

Равновесие в водных растворах и кислотность[править | править вики-текст]

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 с−1.

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

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

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

Угольная кислота подвергается обратимому гидролизу, создавая при этом кислую среду:

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

Однако, для практических расчётов чаще используют кажущуюся константу кислотности, учитывающую 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 изобразить 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, соответствующей 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 CO2 в воде при указанных условиях.

Разложение[править | править вики-текст]

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}

Взаимодействие с основаниями и солями[править | править вики-текст]

Угольная кислота вступает в реакции нейтрализации с растворами оснований, образуя средние и кислые соли — 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}

Получение[править | править вики-текст]

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 понижении температуры раствора и увеличении давления углекислого газа.

Также угольная кислота образуется при взаимодействии её солей (карбонатов и гидрокарбонатов) с более сильной кислотой. При этом бо́льшая часть образовавшейся 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}

Применение[править | править вики-текст]

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

В биохимии используется свойство равновесной системы \mathsf{(\ast)} 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.

Органические производные[править | править вики-текст]

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 таблице.

Класс соединений Пример соединения
Сложные эфиры поликарбонаты
Хлорангидриды фосген
Амиды мочевина
Нитрилы циановая кислота
Ангидриды пироугольная кислота

См. также[править | править вики-текст]

Примечания[править | править вики-текст]

  1. 1 2 3 В водном растворе бо́льшая часть угольной кислоты обратимо переходит в гидрат диоксида углерода по реакции H2CO3 ⇄ CO2·H2O
  2. Угольная кислота теперь обнаружена и в газовой фазе — пора снова переписывать учебники
  3. Нейланд О. Я. Органическая химия. — М.: Высшая школа, 1990. — С. 640—652. — 751 с. — ISBN 5-06-001471-1

Литература[править | править вики-текст]

  • Лидин Р. А., Молочко В. А., Андреева Л. Л. Реакции неорганических веществ: справочник / Под ред. Р. А. Лидина. — 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 веществ: справочник / Под ред. Р. А. Лидина. — 2-е изд., перераб. и доп. — М.: Дрофа, 2006. — 685 с. — ISBN 5-7107-8085-5