Хімія. Профільний рівень. 11 клас. Григорович

§ 55. Карбонатна кислота та її солі

Карбонатна кислота

Вуглекислий газ розчинний у воді: за 20 °С в 1 л води розчиняється 0,88 л газу. Добутий розчин забарвлює лакмус у червоний колір, тобто виявляє кислотні властивості:

СО₂ + Н₂О ⇄ H₂CO₃

Карбонатна кислота Н₂СО₃ слабка, вона дуже нестійка навіть у водних розчинах. У насиченому водному розчині практично весь вуглекислий газ міститься у вигляді молекул СО₂, оточених молекулами води.

Карбонатна кислота двохосновна, завдяки чому утворює два види солей — карбонати (Na₂CO₃, СаСО₃) та гідрогенкарбонати (NaHCO₃, Са(НСО₃)₂).

У воді дисоціює ступінчасто:

Н₂СО₃⇄ Н⁺+ НСО₃^-

НСО₃^- ⇄ Н⁺+ СО₃^2-

Оскільки карбонатна кислота слабка, її витісняють із солей сильні кислоти. Під час виділення карбонатної кислоти в чистому вигляді вона розкладається на вуглекислий газ і воду:

Na₂CO₃ + 2НСl = 2NaCl + СО₂↑ + Н₂О

Ця реакція є якісною на карбонат-іон. Карбонатна кислота настільки слабка, що витискується із солей навіть слабкими органічними кислотами — оцтовою і лимонною.

Хімічні властивості карбонатів і гідроген-карбонатів

На відміну від сульфатів і хлоридів, багато карбонатів нерозчинні у воді. Винятком є лише солі лужних елементів і амонію. Більшість гідрогенкарбонатів добре розчинні у воді.

• Термічне розкладання. Під час нагрівання карбонати всіх елементів (за винятком лужних) розкладаються на оксид і вуглекислий газ. Чим активніший металічний елемент, тим стійкіший утворений ним карбонат. Так, натрій карбонат розкладається за температури набагато вищої, ніж температура його плавлення (вище 1000 °С), а магній карбонат розкладається вже за 350 °С:

Гідрогенкарбонати розкладаються набагато легше, за значно нижчих температур. Причому також легко розкладаються і гідрогенкарбонати лужних елементів:

Цікаво, що під час розкладання амоній карбонату і амоній гідрогенкарбонату утворюються лише газуваті речовини, тобто за нагрівання їх до 60-70 °С не залишається твердого залишку:

• Реакції обміну. Розчинні у воді карбонати вступають з іншими розчинними солями в реакції обміну, якщо при цьому утворюється нерозчинний карбонат:

ВаСl₂ + Na₂CO₃ = ВаСО₃↓ + 2NaCl

Нерозчинні карбонати можуть також утворитися під час пропускання вуглекислого газу крізь розчини основ:

Ва(ОН)₂ + СО₂ = ВаСО₃↓ + Н₂О

Під час подальшого пропускання вуглекислого газу крізь утворену суспензію, осад зникає внаслідок утворення розчинного гідрогенкарбонату:

ВаСО₃ + СО₂ + Н₂О = Ва(НСО₃)₂

• Гідроліз. У розчинах карбонатів і гідрогенкарбонатів фенолфталеїн набуває малинового забарвлення. Оскільки карбонатна кислота дуже слабка, то її солі піддаються гідролізу за аніоном, що визначає лужне середовище:

Na₂CO₃ + Н₂О ⇄ NaHCO₃ + NaOH

СО₃^2- + Н₂О ⇄ НСО₃^- + ОН^-

NaHCO₃ + Н₂О ⇄ Н₂СО₃ + NaOH

НСО₃^- + H₂O ⇄ H₂CO₃ + ОН^-

Завдяки сильному гідролізу карбонат-іонів карбонати тривалентних металічних елементів (Феруму, Алюмінію, Хрому) взагалі не утворюються: у розчинах вони піддаються необоротному гідролізу, що позначають прочерками у відповідних клітинках таблиці розчинності:

2FeCl₃ + 3Na₂CO₃ + ЗН₂О = 2Fе(ОН)₃↓ + 3СО₂↑ + 6NaCl

Застосування і поширеність карбонатів у природі

Важливе практичне значення мають такі карбонати: натрій карбонат Na₂CO₃ (сода), натрій гідрогенкарбонат NaHCO₃ (питна сода), калій карбонат К₂СО₃ (поташ), а також кальцій карбонат СаСО₃, що утворює вапняк (мал. 55.1а), мармур (мал. 55.1б), кальцит (мал. 55.1в) і крейду (мал. 55.1г).

Мал. 55.1. Мінерали, утворені кальцій карбонатом: а — вапняк; б — мармур; в — кальцит; г — крейда

Пральна сода Na₂CO₃ (її іноді називають кальцинованою) являє собою білий порошок, що розчиняється у воді з виділенням теплоти. За 20°С у 100 г води розчиняється 21,8 г цієї соди. Кальциновану соду використовують для замочування і прання білизни, осадження з води йонів Кальцію й Магнію для зменшення жорсткості. Кальцинована сода потрібна для очищення нафти й виробництва скла, її використовують у текстильній і миловарній галузях промисловості.

Питну соду застосовують як джерело вуглекислого газу у вогнегасниках, у хлібопеченні, під час виготовлення шипучих напоїв. Лікарі призначають питну соду в разі підвищеної кислотності шлункового соку.

Карбонати Магнію і лужноземельних металічних елементів (особливо Кальцію) поширені в природі. Із них складаються корали, перли й панцири деяких найпростіших. У багатьох місцях верхні шари земної кори утворені вапняками — гірськими породами, що складаються переважно з карбонатів Кальцію і Магнію. Деякі вапнякові поклади можуть сягати декількох кілометрів, із них складаються цілі гірські хребти, в яких досить легко утворюються печери (мал. 55.2).

Мал. 55.2. У XV столітті в крейдових (вапнякових) горах над Сіверським Донцем ченці вирили печери й заснували в них монастир — нині Свято-Успенська Святогірська лавра (м. Святогірськ, Донецька обл.)

Вода, насичена вуглекислим газом, під час просочування крізь товщу вапняків повільно розчиняє їх, перетворюючись на гідрогенкарбонати:

СаСО₃ + СО₂ + Н₂О = Са(НСО₃)₂

Так за сотні років у вапняках утворюються підземні печери. Річки, що течуть у таких печерах, являють собою розчини гідроген-карбонатів Кальцію і Магнію. Ці солі легко розкладаються з виділенням вуглекислого газу і знову перетворюються на карбонати:

Са(НСО₃)₂ = СаСО₃↓ + СО₂↓ + Н₂О

У природі розкладання гідрогенкарбонатів відбувається дуже повільно. Якщо вода крапає зі зводу печери, гідрогенкарбонати Кальцію й Магнію, що містяться у воді, перетворюються на тверді карбонати й поступово наростають на зводі печери. Одна за одною краплини, перш ніж упасти вниз, залишають на зводі частину осаду солі. Так помалу утворюються сталактити, які нагадують крижані бурульки. Назустріч їм виростають сталагміти, що утворюються на підлозі печери. Із часом сталактити і сталагміти наближаються та з’єднуються в колони, які іноді сягають тридцяти метрів.

Колообіг Карбону в природі

Колообіг Карбону в природі складається з багатьох стадій і перетворень карбоновмісних сполук: як неорганічних карбонатів, так і органічних речовин. В атмосферу Карбон потрапляє у вигляді вуглекислого газу під час згоряння викопного палива, з вулканічними газами, випарами гарячих мінеральних джерел та поверхневих шарів океанічних вод, а також під час дихання живих організмів (мал. 55.3).

Мал. 55.3. Колообіг Карбону в природі

Рослини поглинають вуглекислий газ, що міститься в атмосфері. У результаті фотосинтезу він перетворюється на глюкозу та інші органічні сполуки. Атоми Карбону у складі органічних речовин послідовно переходять від одного живого організму до іншого, від рослин до тварин, які вживають їх у їжу, поки не потрапляють у землю у вигляді органічних решток. Під дією мікроорганізмів органічні речовини розкладаються, а Карбон у складі вуглекислого газу повертається в атмосферу. Органічні речовини, що не перетворилися на вуглекислий газ, із часом утворюють поклади органічних карбоновмісних сполук у вигляді нафти, природного газу та кам’яного вугілля.

Крім розглянутого циклу перетворень Карбону в природі, який іноді називають біохімічним, можна виділити ще один цикл — мінеральний. Вуглекислий газ, що міститься в атмосфері, бере участь у процесах вивітрювання гірських порід, перетворюючись спочатку на кальцій карбонат, потім — на гідрогенкарбонат, а з нього — знову на карбонат СаСО₃. У результаті вулканічної діяльності карбонатні породи розкладаються, а утворений при цьому вуглекислий газ повертається в атмосферу.

У природі процеси утворення і витрачання вуглекислого газу збалансовані: щорічно його надходить в атмосферу приблизно така сама кількість, яка витрачається. Розвиток промисловості і знищення лісів призводять до порушення цієї рівноваги — підвищення концентрації вуглекислого газу в атмосфері.

ЛАБОРАТОРНИЙ ДОСЛІД № 12

Якісна реакція на карбонат- і гідрогенкарбонат-іони

Обладнання: штатив із пробірками, скіпка.

Реактиви: крейда або мармур, малахіт, розчини натрій карбонату, натрій гідроген-карбонату, хлоридна кислота.

Дотримуйтесь правил безпеки

Налийте в пробірку розчин натрій карбонату об’ємом 1 мл і додайте до нього таку саму кількість хлоридної кислоти. Що відбувається? Випробуйте газ, що виділяється, палаючою скіпкою. Виконайте аналогічний дослід із розчином натрій гідрогенкарбонату, порошками крейди (кальцій карбонату) і малахіту (купрум(ІІ) гідроксид карбонату (СuОН)₂СО₃). Запишіть рівняння реакцій.

ЛАБОРАТОРНИЙ ДОСЛІД № 13

Перетворення карбонатів на гідрогенкарбонати, і навпаки

Обладнання: штатив із пробірками, апарат Кіппа для добування вуглекислого газу, пробіркотримач, пальник.

Реактиви: натрій карбонат, натрій гідрогенкарбонат, вода, розчини вапняної води і фенолфталеїну.

Дотримуйтесь правил безпеки

1. Доведіть, що в розчинах карбонатів і гідрогенкарбонатів відбувається гідроліз. Для цього в одну пробірку насипте один мікрошпатель натрій карбонату, у другу — таку саму кількість натрій гідрогенкарбонату. У кожну пробірку долийте по 3-4 мл води і розчиніть солі, злегка ударяючи по тій частині, де перебуває розчин, вказівним пальцем. Яка сіль краще розчиняється? У кожну пробірку додайте по декілька крапель фенолфталеїну. Чим можна пояснити появу забарвлення?

2. У пробірку з вапняною водою опустіть трубку, приєднану до апарата Кіппа або до іншого пристрою для добування вуглекислого газу. Відкрийте кран і спостерігайте утворення карбонату. Продовжуйте далі пропускати вуглекислий газ. Коли весь осад розчиниться, закріпіть пробірку з добутим розчином у пробіркотримачі й обережно нагрійте в полум’ї пальника до кипіння. Що відбувається? Запишіть рівняння реакцій.

Ключова ідея

Карбонатна кислота хоча слабка і нестійка, але є переносником Карбону й забезпечує його колообіг у природі.

Запитання та завдання

329. Схарактеризуйте фізичні й хімічні властивості карбонатної кислоти та її солей, їх застосування і біологічне значення.

330. Наведіть формули питної соди, пральної соди, поташу, вапняку. Схарактеризуйте їх застосування.

331. Опишіть колообіг Карбону в живій і неживій природі.

332. Поясніть, як у природі утворюються сталактити й сталагміти.

333. Як можна довести, що карбонатна кислота слабкіша за оцтову?

334. Чому під час кип'ятіння розчин натрій гідрогенкарбонату стає більш лужним?

335. Допишіть рівняння реакцій і доберіть коефіцієнти: