Угольная кислота

Шаблон:Карточка{{#invoke:check for unknown parameters|check |unknown= |ignoreblank= |preview= |showblankpositional= |CAS|ChEBI|ChemSpiderID|ECB|EINECS|H-фразы|InChI|InChIKey|NFPA 704|P-фразы|PubChem|R-фразы|RTECS|S-фразы|SMILES|nocat|Кодекс Алиментариус|ЛД50|ООН|ПДК|СГС|большие схемы|вещество1|вещество2|вещество3|вещество4|внешний вид|вращение|гибридизация|давление пара|диапазон прозрачности|динамическая вязкость|дипольный момент|заголовок|изображение|изображение слева|изображение справа|изображение2|изоэлектрическая точка|интервал трансформации|картинка|картинка малая|картинка2|картинка3D|картинка 3D|картинка3D2|кинематическая вязкость|конст. диссоц. кислоты|константа В. дер В.|координационная геометрия|коэфф. электр. сопротив.|кристаллическая структура|критическая плотность|критическая темп.|критическая точка|критическое давление|молярная концентрация|молярная масса|наименование|описание изображений слева и справа|описание изображения|описание изображения слева|описание изображения справа|описание изображения2|описание картинки|описание картинки2|описание картинки3D|описание картинки3D2|описание малой картинки|от. диэлектр. прониц.|плотность|поверхностное натяжение|показатель преломления|предел прочности|пределы взрываемости|примеси|проводимость|растворимость|растворимость1|растворимость2|растворимость3|растворимость4|рац. формула|сигнальное слово|скорость звука|сокращения|состояние|твёрдость|темп. воспламенения|темп. вспышки|темп. кипения|темп. кипения пр.|темп. плавления|темп. разложения|темп. самовоспламенения|темп. стеклования|темп. сублимации|температура размягчения|тепловое расширение|теплопроводность|теплоёмкость|теплоёмкость2|токсичность|традиционные названия|тройная точка|угол Брюстера|уд. электр. сопротивление|удельная теплота парообразования|удельная теплота плавления|фазовые переходы|хим. имя|хим. формула|ширина изображения|ширина изображения2|энергия ионизации|энтальпия кипения|энтальпия образования|энтальпия плавления|энтальпия растворения|энтальпия сгорания|энтальпия сублимации|ЕС|удельная теплота парообразования2|удельная теплота плавления2|Номер UN|эмпирическая формула|теплота парообразования|энтальпия раствородия|тепловое расширодие}} У́гольная кислота́ (Шаблон:Lang-la, химическая формула — H₂CO₃) — слабая химическая неорганическая кислота. Образуется в малых количествах при растворении углекислого газа в воде, в том числе и углекислого газа из воздуха.

При нормальных условиях, угольная кислота неустойчива и разлагается на углекислый газ и воду. Образует ряд устойчивых неорганических и органических производных: соли (карбонаты и гидрокарбонаты), сложные эфиры, амиды, хлорангидрид (фосген) и др.

Физические свойства

Угольная кислота существует в водных растворах в равновесии с диоксидом углерода, причём при нормальных условиях равновесие сильно сдвинуто в сторону разложения кислоты.

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 130 пм.

Безводная угольная кислота представляет собой бесцветные кристаллы, устойчивые при низких температурах, сублимирующиеся при температуре −30 °C, а при дальнейшем нагревании полностью разлагающиеся. Поведение чистой угольной кислоты в газовой фазе исследовано в 2011 г. австрийскими химиками.

Химические свойства

Равновесие в водных растворах и кислотность

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

$𝖢{𝖮}_{\mathrm{𝟤}}\mathsf{\cdot }{𝖧}_{\mathrm{𝟤}}{𝖮}_{\mathsf{(}𝗉\mathsf{)}}\mathsf{\rightleftarrows }{𝖧}_{\mathrm{𝟤}}𝖢{𝖮}_{\mathrm{𝟥}\mathsf{(}𝗉\mathsf{)}}$, константа равновесия при 25 °C $K_p=\frac{\mathsf{[}{𝖧}_{\mathrm{𝟤}}𝖢{𝖮}_{\mathrm{𝟥}}\mathsf{]}}{\mathsf{[}𝖢{𝖮}_{\mathrm{𝟤}}\mathsf{\cdot }{𝖧}_{\mathrm{𝟤}}𝖮\mathsf{]}}=1,70\cdot 10^{-3}$

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:

$𝖢{𝖮}_{\mathrm{𝟤}}\mathsf{\cdot }{𝖧}_{\mathrm{𝟤}}{𝖮}_{\mathsf{(}𝗉\mathsf{)}}\mathsf{\rightleftarrows }𝖢{𝖮}_{\mathrm{𝟤}}\mathsf{\uparrow }\mathsf{+}{𝖧}_{\mathrm{𝟤}}𝖮$

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:

${𝖧}_{\mathrm{𝟤}}𝖢{𝖮}_{\mathrm{𝟥}}\mathsf{+}{𝖧}_{\mathrm{𝟤}}𝖮\mathsf{\rightleftarrows }𝖧𝖢O_{\mathrm{𝟥}}^{\mathsf{-}}\mathsf{+}{𝖧}_{\mathrm{𝟥}}{𝖮}^{\mathsf{+}}$, константа кислотности при 25 °C $K_{a1}=\frac{\mathsf{[}𝖧𝖢O_{\mathrm{𝟥}}^{\mathsf{-}}\mathsf{]}\mathsf{\cdot }\mathsf{[}{𝖧}_{\mathrm{𝟥}}{𝖮}^{\mathsf{+}}\mathsf{]}}{\mathsf{[}{𝖧}_{\mathrm{𝟤}}𝖢{𝖮}_{\mathrm{𝟥}}\mathsf{]}}=2,5\cdot 10^{-4}$

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

${K_a}^{\prime }=\frac{\mathsf{[}𝖧𝖢O_{\mathrm{𝟥}}^{\mathsf{-}}\mathsf{]}\mathsf{\cdot }\mathsf{[}{𝖧}_{\mathrm{𝟥}}{𝖮}^{\mathsf{+}}\mathsf{]}}{\mathsf{[}𝖢{𝖮}_{\mathrm{𝟤}}\mathsf{\cdot }{𝖧}_{\mathrm{𝟤}}𝖮\mathsf{]}}=4,27\cdot 10^{-7}$

Гидрокарбонат-ион подвергается дальнейшему гидролизу по реакции

$𝖧𝖢O_{\mathrm{𝟥}}^{\mathsf{-}}\mathsf{+}{𝖧}_{\mathrm{𝟤}}𝖮\mathsf{\rightleftarrows }𝖢O_{\mathrm{𝟥}}^{\mathrm{𝟤}\mathsf{-}}\mathsf{+}{𝖧}_{\mathrm{𝟥}}{𝖮}^{\mathsf{+}}$, константа кислотности при 25 °C $K_{a2}=\frac{\mathsf{[}𝖢O_{\mathrm{𝟥}}^{\mathrm{𝟤}\mathsf{-}}\mathsf{]}\mathsf{\cdot }\mathsf{[}{𝖧}_{\mathrm{𝟥}}{𝖮}^{\mathsf{+}}\mathsf{]}}{\mathsf{[}𝖧𝖢O_{\mathrm{𝟥}}^{\mathsf{-}}\mathsf{]}}=4,68\cdot 10^{-11}$

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

$𝖢{𝖮}_{\mathrm{𝟤}}\stackrel{H_{2}O}{\rightleftarrows }𝖢{𝖮}_{\mathrm{𝟤}}\mathsf{\cdot }{𝖧}_{\mathrm{𝟤}}𝖮\mathsf{\rightleftarrows }{𝖧}_{\mathrm{𝟤}}𝖢{𝖮}_{\mathrm{𝟥}}\stackrel{-H^{+}}{\rightleftarrows }𝖧𝖢O_{\mathrm{𝟥}}^{\mathsf{-}}\stackrel{-H^{+}}{\rightleftarrows }𝖢O_{\mathrm{𝟥}}^{\mathrm{𝟤}\mathsf{-}}\mathsf{(}\mathsf{*}\mathsf{)}$

Значение водородного показателя pH в такой системе, соответствующего насыщенному раствору диоксида углерода в воде при 25 °C и давлении 760 мм рт. ст., можно рассчитать по формуле:

$𝗉𝖧\mathsf{=}\mathsf{-}𝗅𝗀\left(\frac{-{K_a}^{\prime }+\sqrt{({K_a}^{\prime }{)}^2+4{K_a}^{\prime }{C}_0}}{2}\right)\mathsf{=}\mathrm{𝟥},\mathrm{𝟫}$, где C₀ = 0,034 моль/л — растворимость CO₂ в воде при указанных условиях.

Разложение

При повышении температуры раствора и/или понижении парциального давления диоксида углерода равновесие смещается в сторону разложения угольной кислоты на воду и диоксид углерода. При кипении раствора угольная кислота разлагается полностью:

${𝖧}_{\mathrm{𝟤}}𝖢{𝖮}_{\mathrm{𝟥}}\mathsf{⟶}{𝖧}_{\mathrm{𝟤}}𝖮\mathsf{+}𝖢{𝖮}_{\mathrm{𝟤}}\mathsf{\uparrow }$

Взаимодействие с основаниями и солями

Угольная кислота вступает в реакции нейтрализации с растворами оснований, образуя средние и кислые соли — карбонаты и гидрокарбонаты соответственно:

${𝖧}_{\mathrm{𝟤}}𝖢{𝖮}_{\mathrm{𝟥}}\mathsf{+}\mathrm{𝟤}𝖭𝖺𝖮𝖧$_(конц.)$\mathsf{⟶}𝖭{𝖺}_{\mathrm{𝟤}}𝖢{𝖮}_{\mathrm{𝟥}}\mathsf{+}\mathrm{𝟤}{𝖧}_{\mathrm{𝟤}}𝖮$

${𝖧}_{\mathrm{𝟤}}𝖢{𝖮}_{\mathrm{𝟥}}\mathsf{+}𝖭𝖺𝖮𝖧$_(разб.)$\mathsf{⟶}𝖭𝖺𝖧𝖢{𝖮}_{\mathrm{𝟥}}\mathsf{+}{𝖧}_{\mathrm{𝟤}}𝖮$

${𝖧}_{\mathrm{𝟤}}𝖢{𝖮}_{\mathrm{𝟥}}\mathsf{+}𝖢𝖺\mathsf{(}𝖮𝖧{\mathsf{)}}_{\mathrm{𝟤}}\mathsf{⟶}𝖢𝖺𝖢{𝖮}_{\mathrm{𝟥}}\mathsf{\downarrow }\mathsf{+}\mathrm{𝟤}{𝖧}_{\mathrm{𝟤}}𝖮$

${𝖧}_{\mathrm{𝟤}}𝖢{𝖮}_{\mathrm{𝟥}}\mathsf{+}𝖭{𝖧}_{\mathrm{𝟥}}\mathsf{\cdot }{𝖧}_{\mathrm{𝟤}}𝖮\mathsf{⟶}𝖭{𝖧}_{\mathrm{𝟦}}𝖧𝖢{𝖮}_{\mathrm{𝟥}}\mathsf{+}{𝖧}_{\mathrm{𝟤}}𝖮$

При взаимодействии угольной кислоты с карбонатами образуются гидрокарбонаты:

${𝖧}_{\mathrm{𝟤}}𝖢{𝖮}_{\mathrm{𝟥}}\mathsf{+}𝖭{𝖺}_{\mathrm{𝟤}}𝖢{𝖮}_{\mathrm{𝟥}}\mathsf{⟶}\mathrm{𝟤}𝖭𝖺𝖧𝖢{𝖮}_{\mathrm{𝟥}}$

${𝖧}_{\mathrm{𝟤}}𝖢{𝖮}_{\mathrm{𝟥}}\mathsf{+}𝖢𝖺𝖢{𝖮}_{\mathrm{𝟥}}\mathsf{⟶}𝖢𝖺\mathsf{(}𝖧𝖢{𝖮}_{\mathrm{𝟥}}{\mathsf{)}}_{\mathrm{𝟤}}$

Получение

Угольная кислота образуется при растворении в воде диоксида углерода:

$𝖢{𝖮}_{\mathrm{𝟤}}\mathsf{+}{𝖧}_{\mathrm{𝟤}}𝖮\mathsf{\rightleftarrows }𝖢{𝖮}_{\mathrm{𝟤}}\mathsf{\cdot }{𝖧}_{\mathrm{𝟤}}𝖮\mathsf{\rightleftarrows }{𝖧}_{\mathrm{𝟤}}𝖢{𝖮}_{\mathrm{𝟥}}$

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:

$𝖭{𝖺}_{\mathrm{𝟤}}𝖢{𝖮}_{\mathrm{𝟥}}\mathsf{+}\mathrm{𝟤}𝖧𝖢𝗅\mathsf{⟶}\mathrm{𝟤}𝖭𝖺𝖢𝗅\mathsf{+}{𝖧}_{\mathrm{𝟤}}𝖢{𝖮}_{\mathrm{𝟥}}$

${𝖧}_{\mathrm{𝟤}}𝖢{𝖮}_{\mathrm{𝟥}}\mathsf{\to }{𝖧}_{\mathrm{𝟤}}𝖮\mathsf{+}𝖢{𝖮}_{\mathrm{𝟤}}\mathsf{\uparrow }$

Применение

Пузырьки углекислого газа в газированном напитке.

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

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. Также применяется для производства хладагента, солнечных генераторов и морозильников.

При H-катионировании (при использовании катионита в H-форме при обессоливании) воды pH снижается ввиду повышения концентрации ионов водорода, а карбонат- и гидрокарбонат-ионы разлагаются с выделением углекислого газа, после чего углекислый газ из обрабатываемой воды удаляется в декарбонизаторе.

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.

Некоторые представители подобных соединений перечислены в таблице.

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

Литература

• Шаблон:Книга
• Шаблон:Книга