Угольная кислота и карбонаты

9 заданий

Угольная кислота в воде

При растворении углекислого газа в воде большая часть его остаётся в виде молекул \(\ce{CO2}\). Лишь около 0,2 % растворённого газа превращается в угольную кислоту: \(\ce{CO2 + H2O <=> H2CO3}\). Поэтому кислотные свойства раствора зависят не только от силы самой угольной кислоты, но и от того, насколько мала её доля.

Сама \(\ce{H2CO3}\) — кислота средней силы: её истинная \(pK_a \approx 3{,}6\). Если же при определении кислотности учитывать весь растворённый \(\ce{CO2}\), получают кажущуюся константу кислотности первой ступени, \(pK_{a1} = 6{,}35\). Для второй ступени диссоциации \(pK_{a2} = 10{,}33\). Эти значения позволяют определить, какая из форм преобладает при заданном pH.

auto_awesomeКарбоангидраза в крови

Без участия ферментов гидратация \(\ce{CO2}\) протекает медленно: на неё требуются секунды. В крови эту реакцию ускоряет карбоангидраза — один из самых быстрых ферментов, совершающий миллион превращений в секунду. Благодаря ей углекислый газ достаточно быстро выводится при дыхании.

scienceРаспределение форм (урок 66)

\(\ce{CO2(aq)}\) — растворённый углекислый газ преобладает при pH < 6,35, например в газированной воде и кислых дождях.
\(\ce{HCO3-}\) — гидрокарбонат-ион преобладает при 6,35 < pH < 10,33, например в природных водах, крови и морской воде.
\(\ce{CO3^2-}\) — карбонат-ион преобладает при pH > 10,33, например в растворах соды.

boltПричина появления пузырьков в газированной воде

Когда бутылку открывают, парциальное давление \(\ce{CO2}\) над раствором падает от 3–4 атм до 0,0004 атм — его парциального давления в воздухе. По закону Генри при снижении давления уменьшается и растворимость газа. Она падает в тысячи раз, поэтому избыток углекислого газа выделяется в виде пузырьков.

Карбонаты и гидрокарбонаты

Карбонаты аммония и щелочных металлов (кроме лития) растворимы в воде; карбонаты большинства остальных металлов малорастворимы. Растворы карбонатов щелочных металлов имеют щелочную среду. Однако малорастворимый карбонат кальция может перейти в раствор при избытке \(\ce{CO2}\): \(\ce{CaCO3 + CO2 + H2O <=> Ca(HCO3)2}\). Так вода, содержащая углекислый газ, растворяет известняк и образует карстовые пещеры. При обратном протекании реакции карбонат кальция осаждается и образует сталактиты.

При нагревании карбонаты проявляют разную термическую устойчивость — способность сохраняться без разложения. В ряду карбонатов магния, кальция и бария она возрастает вниз по группе: \(\ce{MgCO3}\) разлагается около 350 °C, \(\ce{CaCO3}\) — 900 °C, \(\ce{BaCO3}\) — 1360 °C. В отличие от них, \(\ce{Na2CO3}\) и \(\ce{K2CO3}\) плавятся без разложения. Причина различия состоит в том, что катион меньшего размера сильнее поляризует карбонат-ион и тем самым облегчает разложение карбоната на оксид и углекислый газ. Влияние размера катиона на термическую устойчивость встречалось и при изучении нитратов (урок 133).

scienceКарбонаты в реакциях

\(\ce{2NaHCO3 ->[t] Na2CO3 + CO2 + H2O}\) — гидрокарбонат натрия легко разлагается при нагревании около 100 °C.
\(\ce{CaCO3 ->[900 °C] CaO + CO2}\) — при нагревании карбонат кальция разлагается на оксид кальция и углекислый газ.
\(\ce{Na2CO3 + CO2 + H2O -> 2NaHCO3}\) — при поглощении углекислого газа раствором карбоната натрия образуется гидрокарбонат натрия.
\(\ce{Ca(OH)2 + CO2 -> CaCO3 v + H2O}\); \(\ce{CaCO3 + CO2 + H2O -> Ca(HCO3)2}\) — при пропускании углекислого газа известковая вода сначала мутнеет из-за осадка карбоната кальция, а при избытке газа вновь становится прозрачной (урок 76).

Последние реакции важно рассматривать последовательно и при расчётах. Сначала поглощённый \(\ce{CO2}\) образует осадок карбоната кальция. После этого избыток \(\ce{CO2}\) расходуется на растворение осадка. Поэтому количество газа, поглощённого на каждой стадии, определяют по соответствующему уравнению реакции.

Жёсткость воды

Жёсткостью воды называют содержание в ней ионов \(\ce{Ca^2+}\) и \(\ce{Mg^2+}\). В России жёсткость выражают в градусах: 1 °Ж = 1 мг-экв/л = 0,5 ммоль/л этих ионов. Воду с жёсткостью до 2 °Ж называют мягкой, а с жёсткостью более 7 °Ж — жёсткой.

Жёсткость различают по тому, какие соли её вызывают и можно ли устранить её кипячением.

Временная (карбонатная) жёсткость обусловлена гидрокарбонатами кальция и магния. Её устраняют кипячением или добавлением извести. При кипячении протекает реакция \(\ce{Ca(HCO3)2 ->[t] CaCO3 v + CO2 + H2O}\); выпавший карбонат кальция образует накипь.
Постоянная жёсткость обусловлена, в частности, сульфатами и хлоридами кальция и магния. Кипячение её не устраняет.

Для умягчения воды ионы кальция и магния переводят в осадок либо заменяют другими ионами. Выбор способа зависит от состава воды.

scienceУмягчение воды

\(\ce{Ca(HCO3)2 + Ca(OH)2 -> 2CaCO3 v + 2H2O}\) — при известковании по Кларку (1841) растворённый гидрокарбонат превращается в осадок карбоната кальция.
\(\ce{CaSO4 + Na2CO3 -> CaCO3 v + Na2SO4}\) — добавление соды осаждает кальций и позволяет устранить постоянную жёсткость.
\(\ce{Ca^2+ + 2NaR -> CaR2 + 2Na+}\) — катионит обменивает ионы кальция на ионы натрия; такой ионный обмен используют в фильтрах-кувшинах и умягчителях котельной воды.
\(\ce{3Ca^2+ + 2Na3PO4 -> Ca3(PO4)2 v + 6Na+}\) — при фосфатировании котловой воды ионы кальция осаждаются в виде фосфата.

boltПочему известь устраняет жёсткость

При известковании в воду добавляют кальций в составе \(\ce{Ca(OH)2}\), хотя именно его ионы вызывают жёсткость. Гидроксид превращает гидрокарбонат в карбонат, поэтому в осадок переходит и растворённый, и добавленный кальций.

push_pinГлавное

Растворённый \(\ce{CO2}\) лишь на 0,2 % гидратирован до \(\ce{H2CO3}\). Поэтому кажущаяся \(pK_{a1} = 6{,}35\) отличается от истинной величины ≈ 3,6; для второй ступени \(pK_{a2} = 10{,}33\). Карбонаты аммония и щелочных металлов (кроме лития) растворимы, причём их растворы имеют щелочную среду. Малорастворимые карбонаты могут переходить в раствор при избытке \(\ce{CO2}\) с образованием гидрокарбонатов. Временная жёсткость вызвана гидрокарбонатами \(\ce{Ca}\) и \(\ce{Mg}\) и устраняется кипячением или известкованием; постоянную жёсткость, вызванную, в частности, сульфатами и хлоридами, устраняют содой или ионным обменом. При этом 1 °Ж = 1 мг-экв/л = 0,5 ммоль/л \(\ce{Ca^2+ + Mg^2+}\). Чем меньше размер и выше заряд катиона, тем легче соответствующий карбонат разлагается при нагревании.

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