Угольная кислота

Свойства
Угольная кислота

Систематическое название	Угольная кислота
Химическая формула	H₂CO₃
Внешний вид	бесцветный раствор
Молярная масса	62,03 г/моль
Константа диссоциации pK_a	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 чистом виде 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

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.

Этот раздел не завершён.

Вы поможете проекту, исправив и дополнив его.

Химические свойства

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 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

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

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

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

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

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

Примечания

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

Литература

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

Растворимость кислот, оснований и солей в воде

H⁺

Li⁺

K⁺

Na⁺

NH₄⁺

Ba²⁺

Ca²⁺

Mg²⁺

Sr²⁺

Al³⁺

Cr³⁺

Fe²⁺

Fe³⁺

Ni²⁺

Co²⁺

Mn²⁺

Zn²⁺

Ag⁺

Hg²⁺

Hg₂²⁺

Pb²⁺

Sn²⁺

Cu⁺

Cu²⁺

OH⁻

—

F⁻

Cl⁻

—

Br⁻

I⁻

—

S²⁻

—

SO₃²⁻

SO₄²⁻

—

NO₃⁻

—

NO₂⁻

PO₄³⁻

—

CO₃²⁻

—

CH₃COO⁻

—

CN⁻

—

SiO₃²⁻

Оксиды углерода
Оксиды	CO₂ · CO
Экзотические оксиды	Карбонилы металлов · Угольная кислота · Гидрокарбонаты · Карбонаты · Дикарбонаты · Трикарбонаты

Категории:

Неорганические кислоты
Неорганические кислородсодержащие кислоты
Соединения углерода

Wikimedia Foundation. 2010.

Игры ⚽ Поможем решить контрольную работу

Полезное

Смотреть что такое "Угольная кислота" в других словарях:

УГОЛЬНАЯ КИСЛОТА — Н2СО3, очень слабая и непрочная двухосновная кислота. Образуется при растворении диоксида углерода в воде. Дает соли карбонаты и гидрокарбонаты … Большой Энциклопедический словарь
УГОЛЬНАЯ КИСЛОТА — (H2CO3) очень слабая и непрочная двухосновная кислота, образующаяся при растворении в воде диоксида углерода (углекислого газа) CO2. Дает 2 ряда солей: карбонаты и бикарбонаты (гидрокарбонаты). В природе широко распространены нормальные карбонаты … Российская энциклопедия по охране труда
Угольная кислота — УГОЛЬНАЯ КИСЛОТА, H2CO3, образуется при растворении углерода диоксида в воде. Важнейшие производные карбонаты, мочевина (карбамид). … Иллюстрированный энциклопедический словарь
угольная кислота — Н2СО3, очень слабая и непрочная двухосновная кислота. Образуется при растворении диоксида углерода в воде. Даёт соли карбонаты и гидрокарбонаты. * * * УГОЛЬНАЯ КИСЛОТА УГОЛЬНАЯ КИСЛОТА, Н2СО3, очень слабая и непрочная двухосновная кислота.… … Энциклопедический словарь
УГОЛЬНАЯ КИСЛОТА, H2CO3 — УГОЛЬНАЯ КИСЛОТА, H2CO3, образуется при растворении углерода диоксида в воде. Важнейшие производные карбонаты, мочевина (карбамид) … Современная энциклопедия
УГОЛЬНАЯ КИСЛОТА Н₂СO₃ — очень слабая кислота, существующая только в водном растворе. Угольная кислота образуется при растворении диоксида углерода в воде (Н2O+СO2=Н2СО3). Угольная кислота образует соли: средние (карбонаты) и кислые (гидрокарбонаты) … Металлургический словарь
Угольная кислота — H2CO3, слабая двухосновная кислота, при нормальных условиях существующая только в разбавленных водных растворах. У. к. образуется при растворении в воде двуокиси углерода: 2, при нормальных условиях не превышает 1% от содержания CO2.… … Большая советская энциклопедия
УГОЛЬНАЯ КИСЛОТА — Н2СО3, очень слабая и непрочная двухосновная кислота. Образуется при растворении диоксида углерода в воде. Даёт соли карбонаты и гидрокарбонаты … Естествознание. Энциклопедический словарь
Угольная кислота — (медико санит.) см. Углерод … Энциклопедический словарь Ф.А. Брокгауза и И.А. Ефрона
УГОЛЬНАЯ КИСЛОТА — H2CO3, образуется при растворении CO2 в воде. Проявляет св ва слабой к ты. Равновесие CO2+H2O H2CO3 смещено влево, поэтому меньшая часть CO2 находится в р ре в виде H2CO3. Для У. к. константы диссоциации K1=4,27 … Химическая энциклопедия

Словари и энциклопедии на Академике

Угольная кислота

Содержание

Физические свойства

Химические свойства