Угольная кислота и карбонаты

9 заданий

Угольная кислота в воде

Большая часть растворённого углекислого газа остаётся молекулами \(\ce{CO2}\); гидратирована лишь около 0,2 %: \(\ce{CO2 + H2O <=> H2CO3}\). Сама \(\ce{H2CO3}\) — кислота средней силы (истинная \(pK_a \approx 3{,}6\)), но поскольку её мало, «кажущаяся» константа, отнесённая ко всему растворённому \(\ce{CO2}\), — \(pK_{a1} = 6{,}35\).

auto_awesomeФермент-ускоритель

Гидратация \(\ce{CO2}\) сама по себе медленная (секунды). В крови её ускоряет карбоангидраза — один из самых быстрых ферментов (миллион превращений в секунду): иначе мы не успевали бы выдыхать углекислый газ.

scienceРаспределение форм (урок 66)

pH < 6,35: преобладает \(\ce{CO2(aq)}\) — газированная вода, кислые дожди.
6,35 < pH < 10,33: \(\ce{HCO3-}\) — природные воды, кровь, морская вода.
pH > 10,33: \(\ce{CO3^2-}\) — растворы соды.

boltГазировка

При открытии бутылки давление \(\ce{CO2}\) над раствором падает от 3–4 атм до 0,0004 атм (парциальное давление в воздухе), растворимость по закону Генри падает в тысячи раз — отсюда пузыри.

Карбонаты и гидрокарбонаты

Карбонаты щелочных металлов и аммония растворимы; остальные — нет. Но в воде, содержащей \(\ce{CO2}\), нерастворимые карбонаты переходят в растворимые гидрокарбонаты: \(\ce{CaCO3 + CO2 + H2O <=> Ca(HCO3)2}\) — так образуются карстовые пещеры, а обратная реакция строит сталактиты.

Термическая устойчивость карбонатов растёт вниз по группе: \(\ce{MgCO3}\) разлагается около 350 °C, \(\ce{CaCO3}\) — 900 °C, \(\ce{BaCO3}\) — 1360 °C; \(\ce{Na2CO3}\) и \(\ce{K2CO3}\) плавятся без разложения. Маленький катион сильнее поляризует карбонат-ион и «отрывает» от него оксид-ион (как для нитратов, урок 133).

scienceКарбонаты в реакциях

\(\ce{2NaHCO3 ->[t] Na2CO3 + CO2 + H2O}\) — гидрокарбонаты разлагаются легко (около 100 °C).
\(\ce{CaCO3 ->[900 °C] CaO + CO2}\).
\(\ce{Na2CO3 + CO2 + H2O -> 2NaHCO3}\).
\(\ce{Ca(OH)2 + CO2 -> CaCO3 v + H2O}\); \(\ce{CaCO3 + CO2 + H2O -> Ca(HCO3)2}\) — известковая вода мутнеет и светлеет (урок 76).

Жёсткость воды

Жёсткость — содержание ионов \(\ce{Ca^2+}\) и \(\ce{Mg^2+}\). В России её выражают в градусах: 1 °Ж = 1 мг-экв/л = 0,5 ммоль/л ионов. Мягкая вода — до 2 °Ж, жёсткая — более 7 °Ж.

Временная (карбонатная) — гидрокарбонаты; устраняется кипячением (\(\ce{Ca(HCO3)2 ->[t] CaCO3 v + CO2 + H2O}\) — накипь) или известью.
Постоянная — сульфаты и хлориды; не устраняется кипячением.

scienceУмягчение воды

\(\ce{Ca(HCO3)2 + Ca(OH)2 -> 2CaCO3 v + 2H2O}\) — известкование (Кларк, 1841).
\(\ce{CaSO4 + Na2CO3 -> CaCO3 v + Na2SO4}\) — содой устраняется и постоянная жёсткость.
\(\ce{Ca^2+ + 2NaR -> CaR2 + 2Na+}\) — катионит: ионный обмен (фильтры-кувшины, умягчители котельной воды).
\(\ce{3Ca^2+ + 2Na3PO4 -> Ca3(PO4)2 v + 6Na+}\) — фосфатирование котловой воды.

boltИзвесть — парадокс

Чтобы убрать кальций, в воду добавляют кальций (\(\ce{Ca(OH)2}\))! Всё дело в гидроксиде: он превращает гидрокарбонат в карбонат, и в осадок уходит и растворённый, и добавленный кальций.

push_pinГлавное

Растворённый \(\ce{CO2}\) лишь на 0,2 % гидратирован до \(\ce{H2CO3}\); «кажущаяся» \(pK_{a1} = 6{,}35\) (истинная ≈ 3,6), \(pK_{a2} = 10{,}33\). Карбонаты щелочных металлов растворимы и дают щелочную среду; остальные нерастворимы, но растворяются в избытке \(\ce{CO2}\) как гидрокарбонаты. Жёсткость: временная (гидрокарбонаты \(\ce{Ca}\), \(\ce{Mg}\); устраняется кипячением и известью), постоянная (сульфаты, хлориды; содой, ионным обменом). 1 °Ж = 1 мг-экв/л = 0,5 ммоль/л \(\ce{Ca^2+ + Mg^2+}\). Карбонаты разлагаются при нагревании тем легче, чем меньше и выше заряжен катион.

Закрепите теорию: 9 заданий с проверкой и подсказками, урок зачитывается от 70 %.