Общие химические свойства угольной кислоты

Угольная кислота существует в водных растворах в состоянии равновесия с гидратированным диоксидом углерода:

${\displaystyle {\mathsf {CO_{2}\cdot H_{2}O_{(p)}\rightleftarrows H_{2}CO_{3(p)}}}}$

Константа равновесия при 25 °C:

${\displaystyle K_{p}={\frac {\mathsf {[H_{2}CO_{3}]}}{\mathsf {[CO_{2}\cdot H_{2}O]}}}=1{,}70\cdot 10^{-3}}$

Угольная кислота — слабая двухосновная кислота, которая диссоциирует в два этапа:

1. Первая ступень диссоциации:

  : ${\displaystyle {\mathsf {H_{2}CO_{3}+H_{2}O\rightleftarrows HCO_{3}^{-}+H_{3}O^{+}}}}$

  Константа кислотности:

  : ${\displaystyle K_{a1}={\frac {\mathsf {[HCO_{3}^{-}][H_{3}O^{+}]}}{\mathsf {[H_{2}CO_{3}]}}}=2{,}5\cdot 10^{-4}}$

2. Вторая ступень диссоциации:

  : ${\displaystyle {\mathsf {HCO_{3}^{-}+H_{2}O\rightleftarrows CO_{3}^{2-}+H_{3}O^{+}}}}$

  Константа кислотности:

  : ${\displaystyle K_{a2}={\frac {\mathsf {[CO_{3}^{2-}][H_{3}O^{+}]}}{\mathsf {[HCO_{3}^{-}]}}}=4{,}68\cdot 10^{-11}}$

Общая схема равновесий в растворе:

${\displaystyle {\mathsf {CO_{2}+H_{2}O\rightleftarrows H_{2}CO_{3}\rightleftarrows HCO_{3}^{-}+H^{+}\rightleftarrows CO_{3}^{2-}+2H^{+}}}}$

В насыщенном растворе CO₂ при 25 °C и давлении 760 мм рт. ст. концентрация CO₂ составляет 0,034 моль/л. pH такого раствора можно рассчитать:

${\displaystyle {\mathsf {pH=-\lg \left({\frac {-K_{a}'+{\sqrt {(K_{a}')^{2}+4K_{a}'C_{0}}}}{2}}\right)=3{,}9}}}$

Где кажущаяся константа кислотности Kₐ' учитывает равновесие между CO₂•H₂O и H₂CO₃:

${\displaystyle K_{a}'={\frac {\mathsf {[HCO_{3}^{-}][H_{3}O^{+}]}}{\mathsf {[CO_{2}\cdot H_{2}O]}}}=4{,}27\cdot 10^{-7}}$

Угольная кислота неустойчива и легко разлагается на воду и диоксид углерода:

${\displaystyle {\mathsf {H_{2}CO_{3}\rightarrow H_{2}O+CO_{2}\uparrow }}}$

Разложение ускоряется при повышении температуры или понижении давления CO₂.

Угольная кислота реагирует с основаниями, образуя карбонаты и гидрокарбонаты.

1. Реакция с избытком щёлочи (образование карбонатов):

  : ${\displaystyle {\mathsf {H_{2}CO_{3}+2NaOH\rightarrow Na_{2}CO_{3}+2H_{2}O}}}$

2. Реакция с недостатком щёлочи (образование гидрокарбонатов):

  : ${\displaystyle {\mathsf {H_{2}CO_{3}+NaOH\rightarrow NaHCO_{3}+H_{2}O}}}$

3. Реакция с растворимыми основаниями:

  : ${\displaystyle {\mathsf {H_{2}CO_{3}+NH_{3}\cdot H_{2}O\rightarrow NH_{4}HCO_{3}+H_{2}O}}}$

4. Реакция с нерастворимыми основаниями:

  : ${\displaystyle {\mathsf {H_{2}CO_{3}+Ca(OH)_{2}\rightarrow CaCO_{3}\downarrow +2H_{2}O}}}$

Угольная кислота реагирует с карбонатами, образуя гидрокарбонаты:

1. С карбонатами щелочных металлов:

  : ${\displaystyle {\mathsf {H_{2}CO_{3}+Na_{2}CO_{3}\rightarrow 2NaHCO_{3}}}}$

2. С нерастворимыми карбонатами:

  : ${\displaystyle {\mathsf {H_{2}CO_{3}+CaCO_{3}\rightarrow Ca(HCO_{3})_{2}}}}$

Полученные гидрокарбонаты чаще растворимы в воде и могут создавать жёсткость воды.

Угольная кислота играет важную роль в природных процессах и технологиях, связанных с CO₂. Её слабые кислотные свойства и способность образовывать карбонаты и гидрокарбонаты важны в химии, биологии и экологии. Понимание её свойств помогает объяснить процессы, происходящие в атмосфере, гидросфере и организме человека.