Карбонатна кислота

Шаблон:Chembox Карбона́тна кислота́, також ву́гільна, вуглецева кислота́ (вуглекислота) — слабка двоосновна кислота з хімічною формулою H₂CO₃. 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 (карбонати та гідрокарбонати), естери, аміди та ін

Фізичні властивості

Молекула вугільної кислоти має плоску будову. Центральний вуглецевий атом має sp²-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:

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

Швидкість прямої реакції 0,039 с⁻¹, зворотної — 23 с⁻¹.

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

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

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

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

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

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

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

гідрокарбонат-іон піддається подальшому гідролізу по реакції

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

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

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

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:

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

Розкладання

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

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

Взаємодія з основами та солями

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

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

${\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{C}{\mathrm{O}}_{\mathrm{3}}\mathrm{+}\mathrm{N}\mathrm{a}\mathrm{O}\mathrm{H}$ _(розч.) $\mathrm{⟶}\mathrm{N}\mathrm{a}\mathrm{H}\mathrm{C}{\mathrm{O}}_{\mathrm{3}}\mathrm{+}{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{O}$ ​​]

${\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{C}{\mathrm{O}}_{\mathrm{3}}\mathrm{+}\mathrm{C}\mathrm{a}\mathrm{(}\mathrm{O}\mathrm{H}{\mathrm{)}}_{\mathrm{2}}\mathrm{⟶}\mathrm{C}\mathrm{a}\mathrm{C}{\mathrm{O}}_{\mathrm{3}}\mathrm{\downarrow }\mathrm{+}\mathrm{2}{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{O}$ ​​]

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

При взаємодії вугільної кислоти з карбонатами утворюються гідрокарбонати:

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

${\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{C}{\mathrm{O}}_{\mathrm{3}}\mathrm{+}\mathrm{C}\mathrm{a}\mathrm{C}{\mathrm{O}}_{\mathrm{3}}\mathrm{⟶}\mathrm{C}\mathrm{a}\mathrm{(}\mathrm{H}\mathrm{C}{\mathrm{O}}_{\mathrm{3}}{\mathrm{)}}_{\mathrm{2}}$

Отримання

Вугільна кислота утворюється при розчиненні у воді діоксиду вуглецю:

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

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:

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

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

Застосування

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

В біохімії використовується властивість рівноважної системи змінювати тиск газу пропорційно зміні змісту іонів оксонію (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 гідроксильною групою замість вуглеводневої залишку. У цій якості вона може утворювати всі похідні, характерні для карбонових кислот.

Деякі представники подібних сполук перераховані в таблиці.

Клас сполук	Приклад сполук
Естери	полікарбонат
Хлороангідриди	фосген
Аміди	сечовина
Нітрили	ціанові кислоти
Ангідриди	піровуглецева кислота

Див. також

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

Література

• Функціональні похідні карбонових та вугільної кислот : Навч. посіб. для студ. хім. спец. ун-тів / М. І. Ганущак, В. В. Карп'як; Львів. нац. ун-т ім. Івана Франка. - Л., 2002. - 292 c. - Бібліогр.: 25 назв.
• Шаблон:Книга Шаблон:Ref-ru
• Шаблон:Книга Шаблон:Ref-ru