Угольная кислота — свойства, получение и применение

Содержание

Физические свойства
Химические свойства
Равновесие в водных растворах и кислотность
Получение
Применение
Органические производные

Угольная кислота — слабая двухосновная кислота с химической формулой H₂CO₃, образуется в малых количествах при растворении углекислого газа в воде, в том числе и углекислого газа из воздуха. В водных растворах неустойчива. Образует ряд устойчивых неорганических и органических производных: соли, сложные эфиры, амиды и др.

Угольная кислота
Систематическое название	Угольная кислота
Химическая формула	H₂CO₃
Внешний вид	бесцветный раствор
Свойства
Молярная масса	62,025 г/моль
Температура плавления	?
Температура кипения	?
Температура возгонки	?
Температура разложения	?
Температура стеклования	?
Плотность	1,668 г/см³
Константа диссоциации pK_a	реальные: 1) 3,60; 2) 10,33 кажущаяся: 6,37
Растворимость в воде	0,21 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
PubChem	463-79-6
Код SMILES	C(=O)(O)O
Безопасность
Пиктограммы опасности СГС
NFPA 704

Физические свойства

Угольная кислота существует в водных растворах в равновесии с диоксидом углерода, причём 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:

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

, константа равновесия при 25 °C

K_{p}={frac {{mathsf {[H_{2}CO_{3}]}}}{{mathsf {[CO_{2}cdot H_{2}O]}}}}=1,70cdot 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_{2}O_{{(p)}}rightleftarrows CO_{2}uparrow + H_{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:

{mathsf {H_{2}CO_{3}+ H_{2}Orightleftarrows HCO_{3}^{-}+ H_{3}O^{+}}}

, константа кислотности при 25 °C

K_{{a1}}={frac {{mathsf {[HCO_{3}^{-}]cdot [H_{3}O^{+}]}}}{{mathsf {[H_{2}CO_{3}]}}}}=2,5cdot 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_{3}O^{+}]}}}{{mathsf {[CO_{2}cdot H_{2}O]}}}}=4,27cdot 10^{{-7}}

Гидрокарбонат-ион подвергается дальнейшему гидролизу по реакции

{mathsf {HCO_{3}^{-}+ H_{2}Orightleftarrows CO_{3}^{{2-}}+ H_{3}O^{+}}}

, константа кислотности при 25 °C

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

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

\text{[math]}

{mathsf {H_{2}CO_{3}+ CaCO_{3}longrightarrow Ca(HCO_{3})_{2}}}

Получение

Угольная кислота образуется при растворении в воде диоксида углерода:

{mathsf {CO_{2}+H_{2}Orightleftarrows CO_{2}cdot H_{2}Orightleftarrows H_{2}CO_{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 большая часть образовавшейся угольной кислоты, как правило, разлагается на воду и диоксид углерода:

\text{[math]}

\text{[math]}

Применение

Угольная кислота всегда присутствует в водных растворах углекислого газа .

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.

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