Угольная кислота

У́гольная кислота́ (лат. Acidum carbonicum, химическая формула — H₂CO₃) — слабая химическая неорганическая кислота. Образуется в малых количествах при растворении углекислого газа в воде^[1], в том числе и углекислого газа из воздуха.

Угольная кислота
Общие
Систематическое наименование	Угольная кислота
Хим. формула	H2CO3
Физические свойства
Молярная масса	62,025 г/моль
Плотность	1,668 г/см³
Термические свойства
Температура
• сублимации	−53 °C
• разложения	127 °C
Энтальпия
• образования	−700 кДж/моль
Химические свойства
Константа диссоциации кислоты ${\displaystyle pK_{a}}$	реальные: 1) 3,60; 2) 10,33 кажущаяся[1]: 6,37
Растворимость
• в воде	0,21[1]
Классификация
Рег. номер CAS	463-79-6
PubChem	463-79-6
Рег. номер EINECS	610-295-3
SMILES	C(=O)(O)O
InChI	InChI=1S/CH2O3/c2-1(3)4/h(H2,2,3,4) BVKZGUZCCUSVTD-UHFFFAOYSA-N
ChEBI	28976
ChemSpider	747
Безопасность
Пиктограммы СГС
NFPA 704	0 0 1
Приведены данные для стандартных условий (25 °C, 100 кПа), если не указано иное.
Медиафайлы на Викискладе

При нормальных условиях, угольная кислота неустойчива и разлагается на углекислый газ и воду. Образует ряд устойчивых неорганических и органических производных: соли (карбонаты и гидрокарбонаты), сложные эфиры, амиды, хлорангидрид (фосген) и др.

Физические свойства

Угольная кислота существует в водных растворах в равновесии с диоксидом углерода, причём при нормальных условиях 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^[2].

Химические свойства

Равновесие в водных растворах и кислотность

Угольная кислота существует в водных растворах в состоянии равновесия с гидратом диоксида углерода:

${\displaystyle {\mathsf {CO_{2}\cdot H_{2}O_{(p)}\rightleftarrows H_{2}CO_{3(p)}}}}$, константа равновесия при 25 °C ${\displaystyle K_{p}={\frac {\mathsf {[H_{2}CO_{3}]}}{\mathsf {[CO_{2}\cdot H_{2}O]}}}=1{,}70\cdot 10^{-3}}$

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:

${\displaystyle {\mathsf {CO_{2}\cdot H_{2}O_{(p)}\rightleftarrows CO_{2}\uparrow +\ H_{2}O}}}$

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:

${\displaystyle {\mathsf {H_{2}CO_{3}+\ H_{2}O\rightleftarrows HCO_{3}^{-}+\ H_{3}O^{+}}}}$, константа кислотности при 25 °C ${\displaystyle K_{a1}={\frac {\mathsf {[HCO_{3}^{-}]\cdot [H_{3}O^{+}]}}{\mathsf {[H_{2}CO_{3}]}}}=2{,}5\cdot 10^{-4}}$

Однако, для практических расчётов чаще используют кажущуюся константу кислотности, учитывающую равновесие угольной кислоты с гидратом диоксида углерода:

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

Гидрокарбонат-ион подвергается дальнейшему гидролизу по реакции

${\displaystyle {\mathsf {HCO_{3}^{-}+\ H_{2}O\rightleftarrows CO_{3}^{2-}+\ H_{3}O^{+}}}}$, константа кислотности при 25 °C ${\displaystyle K_{a2}={\frac {\mathsf {[CO_{3}^{2-}]\cdot [H_{3}O^{+}]}}{\mathsf {[HCO_{3}^{-}]}}}=4{,}68\cdot 10^{-11}}$

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

${\displaystyle {\mathsf {CO_{2}{\stackrel {H_{2}O}{\rightleftarrows }}CO_{2}\cdot H_{2}O\rightleftarrows H_{2}CO_{3}{\stackrel {-H^{+}}{\rightleftarrows }}HCO_{3}^{-}{\stackrel {-H^{+}}{\rightleftarrows }}CO_{3}^{2-}(*)}}}$

Значение водородного показателя pH в такой системе, соответствующего насыщенному раствору диоксида углерода в воде при 25 °C и давлении 760 мм рт. ст., можно рассчитать по формуле:

${\displaystyle {\mathsf {pH=-lg\left({\frac {-K_{a}'+{\sqrt {(K_{a}')^{2}+4K_{a}'C_{0}}}}{2}}\right)=3{,}9}}}$, где C₀ = 0,034 моль/л — растворимость CO₂ в воде при указанных условиях.

Разложение

При повышении температуры раствора и/или понижении парциального давления диоксида углерода равновесие смещается в сторону разложения угольной кислоты на воду и диоксид углерода. При кипении раствора угольная кислота разлагается полностью:

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

Взаимодействие с основаниями и солями

Угольная кислота вступает в реакции нейтрализации с растворами оснований, образуя средние и кислые соли — карбонаты и гидрокарбонаты соответственно:

${\displaystyle {\mathsf {H_{2}CO_{3}+2NaOH}}}$_(конц.)${\displaystyle {\mathsf {\longrightarrow Na_{2}CO_{3}+2H_{2}O}}}$

${\displaystyle {\mathsf {H_{2}CO_{3}+NaOH}}}$_(разб.)${\displaystyle {\mathsf {\longrightarrow NaHCO_{3}+H_{2}O}}}$

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

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

При взаимодействии угольной кислоты с карбонатами образуются гидрокарбонаты:

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

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

Получение

Угольная кислота образуется при растворении в воде диоксида углерода:

${\displaystyle {\mathsf {CO_{2}+H_{2}O\rightleftarrows CO_{2}\cdot H_{2}O\rightleftarrows H_{2}CO_{3}}}}$

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 бо́льшая часть образовавшейся угольной кислоты, как правило, разлагается на воду и диоксид углерода:

${\displaystyle {\mathsf {Na_{2}CO_{3}+2HCl\longrightarrow 2NaCl+H_{2}CO_{3}}}}$

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

Применение

Пузырьки углекислого газа в газированном напитке.

Угольная кислота всегда присутствует в водных растворах углекислого газа (см. «Газированная вода»).

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.

При H-катионировании (при использовании катионита в H-форме при обессоливании) воды pH снижается ввиду повышения концентрации ионов водорода, а карбонат- и гидрокарбонат-ионы разлагаются с выделением углекислого газа, после чего углекислый газ из обрабатываемой воды удаляется в декарбонизаторе.^[3]

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^[4].

Некоторые представители подобных соединений перечислены в таблице.

Класс соединений	Пример соединения
Сложные эфиры	поликарбонаты
Хлорангидриды	фосген
Амиды	мочевина
Нитрилы	циановая кислота
Ангидриды	пироугольная кислота