Карбонатна кислота

Карбонатна кислота
Structural formula	Ball-and-stick model
Назва за IUPAC	Carbonic acid
Інші назви	Carbon dioxide solution; Dihydrogen carbonate; acid of air; Aerial acid; Hydroxymethanoic acid
Ідентифікатори
Номер CAS	463-79-6
KEGG	C01353
ChEBI	CHEBI:28976
SMILES	O=C(O)O
InChI	1/CH2O3/c2-1(3)4/h(H2,2,3,4)
Властивості
Молекулярна формула	H2CO3
Молярна маса	62.03 g/mol
Розчинність (вода)	Exists only in solution
Кислотність (pKa)	6.367 (pKa1), 10.329 (pKa2)
Якщо не зазначено інше, дані приведені для речовин у стандартному стані (за 25 °C, 100 кПа)
Інструкція з використання шаблону
Примітки картки

Вугільна кислота — слабка двоосновна кислота з хімічною формулою $\ \mathsf{H_2CO_3}$. У чистому вигляді нестійка. Утворюється в малих кількостях при розчиненні вуглекислого газу у воді, в тому числі і вуглекислого газу з повітря. Утворює ряд стійких неорганічних та органічних похідних: солі (хімія) (карбонати та гідрокарбонати), естери, аміди та ін

Фізичні властивості

Молекула вугільної кислоти має плоску будову. Центральний вуглецевий атом має sp ²-гібридизацію. У гідрокарбонат- карбонат-аніонів відбувається делокалізація π-зв'язку. Довжина зв'язку C — O в карбонат-іоні становить 129 пм.

Хімічні властивості

Рівновага у водних розчинах та кислотність

Вугільна кислота існує у водних розчинах в стані рівноваги з гідратом діоксиду вуглецю:

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

Швидкість прямої реакції 0,039 з^-1, зворотної — 23 з^-1.

У свою чергу розчинений гідрат діоксиду вуглецю знаходиться в рівновазі з газоподібним діоксидом вуглецю:

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

Дана рівновагу при підвищенні температури зсувається вправо, а при підвищенні тиску — вліво (докладніше див. Абсорбція газів).

Вугільна кислота піддається оборньому гідролізу, створюючи при цьому кисле середовище:

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

Однак, для практичних розрахунків частіше використовують уявну константу кислотності, що враховує рівновагу вугільної кислоти з гідратом діоксиду вуглецю:

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

гідрокарбонат-іон піддається подальшому гідролізу по реакції

$\ \mathsf{HCO_3^-+ \ \ H_2O \ \rightleftarrows CO_3^{2-} +\ \ H_3O^+}$, константа кислотності при 25 °C $K_{a2} = \ \frac{\ \mathsf{[CO_3^{2-}] \ \cdot [H_3O^+]}}{\ \mathsf{[HCO_3^-]}} = 4,68 \ \cdot 10^{-11}$

Таким чином, в розчинах, що містять вугільну кислоту, створюється складна рівноважна система, яку можна зобразити у загальному вигляді таким чином:

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

Значення pH в такій системі, яке відповідає насиченому розчину діоксиду вуглецю в воді при 25 °C і тиску 760 мм рт. ст., можна розрахувати по формулі:

$\mathsf{pH} \approx - \frac{1}{2} \lg (K_a' \cdot L) = 3,9$, где L = 0,034 моль/л — розчинність CO₂ в воді при вказаних умовах.

Розкладання

При підвищенні температури розчину і/або пониженні парціального тиску діоксиду вуглецю рівновагу в системі $\ \mathsf{ (\ \ast) }$ зміщується вліво, що призводить до розкладання частини вугільної кислоти на воду і діоксид вуглецю. При кипінні розчину вугільна кислота розкладається повністю:

$\ \mathsf{H_2CO_3 \ \longrightarrow H_2O +\ \ CO_2 \ \uparrow}$

Взаємодія з основами та солями

Вугільна кислота вступає в реакції нейтралізації з розчинами основ, утворюючи середні та кислі солі (хімія) — карбонати та гідрокарбонати відповідно:

$\ \mathsf{H_2CO_3 + 2\ \ NaOH}$ _(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 взаємодії вугільної кислоти з карбонатами утворюються гідрокарбонати:

$\ \mathsf{H_2CO_3 +\ \ Na_2CO_3 \ \longrightarrow 2\ \ NaHCO_3}$

$\ \mathsf{H_2CO_3 +\ \ CaCO_3 \ \longrightarrow Ca(HCO_3)_2}$

Отримання

Вугільна кислота утворюється при розчиненні у воді діоксиду вуглецю:

$\ \mathsf{CO_2 + H_2O \ \rightleftarrows CO_2 \ \cdot H_2O \ \rightleftarrows H_2CO_3}$

Вміст вугільної кислоти в розчині збільшується при зниженні температури розчину та збільшенні тиску вуглекислого газу.

Також вугільна кислота утворюється при взаємодії її солей (карбонатів та гідрокарбонатів) з більш сильною кислотою. При цьому велика частина утворилася вугільної кислоти, як правило, розкладається на воду і діоксид вуглецю:

$\ \mathsf{Na_2CO_3 + 2\ \ HCl \ \longrightarrow 2\ \ NaCl +\ \ H_2CO_3}$

$\ \mathsf{H_2CO_3 \ \longrightarrow H_2O +\ \ CO_2 \ \uparrow}$

Застосування

Вугільна кислота завжди присутня у водних розчинах вуглекислого газу (см. Газована вода).

В біохімії використовується властивість рівноважної системи змінювати тиск газу пропорційно зміні змісту іонів оксонія (кислотності) при постійній температурі. Це дозволяє реєструвати в реальному часі хід ферментативних реакцій, що протікають із зміною pH розчину.

Органічні похідні

Вугільну кислоту формально можна розглядати як карбонову кислоту з гідроксильної групою замість вуглеводневої залишку. У цій якості вона може утворювати всі похідні, характерні для карбонових кислот.

Деякі представники подібних з'єднань перераховані в таблиці.

Клас з'єднань	Приклад з'єднання
Естери	полікарбонат
хлорангідриди	фосген
Аміди	сечовина
Нітрили	ціанові кислоти
Ангідрид	піровуглецева кислота

Див. також

• Діоксид вуглецю
• Карбонати
• Гідрокарбонати
• Карбонові кислоти
• Газована вода

Література

• Лідин Р. А., Молочко В. А., Андрєєва Л. Л. Реакції неорганічних сполук: довідник / Под ред. Р. А. Лідині. — 2-е изд., перераб. і доп. — М.: Дрофа, 2007. — 637 с. — ISBN 978-5-358-01303-2
• Лідин Р.А., Андрєєва Л. Л., Молочко В. А. Константи неорганічних сполук: довідник / Под ред. Р. А. Лідині. — 2-е изд., перераб. і доп. — М.: Дрофа, 2006. — 685 с. — ISBN 5-7107-8085-5

Це незавершена стаття про неорганічну сполуку. Ви можете допомогти проекту, виправивши або дописавши її.