Карбонатна кислота

Карбона́тна кислота́, також ву́гільна, вуглецева кислота́ (вуглекислота) — слабка двоосновна кислота з хімічною формулою H₂CO₃. У чистому вигляді нестійка^[1]. Утворюється в малих кількостях при розчиненні вуглекислого газу у воді, в тому числі і вуглекислого газу з повітря. Утворює ряд стійких неорганічних та органічних похідних: солі (карбонати та гідрокарбонати), естери, аміди та ін

Карбонатна кислота
Структурна формула	Кулестрижнева модель
Назва за IUPAC	Карбонатна кислота
Інші назви	Вугільна кислота; дигідрогенкарбонат; гідроксиметанова кислота
Ідентифікатори
Номер CAS	463-79-6
Номер EINECS	610-295-3
KEGG	C01353
Назва MeSH	D01.029.260.150 і D01.200.275
ChEBI	28976
SMILES	O=C(O)O
InChI	1/CH2O3/c2-1(3)4/h(H2,2,3,4)
Номер Гмеліна	25554
Властивості
Молекулярна формула	H2CO3
Молярна маса	62,03 г/моль
Розчинність (вода)	Існує лише в розчині
Кислотність (pKa)	6,367 (pKa1), 10,329 (pKa2)
Якщо не зазначено інше, дані наведено для речовин у стандартному стані (за 25 °C, 100 кПа)
Інструкція з використання шаблону
Примітки картки

Фізичні властивості

Молекула вугільної кислоти має плоску будову. Центральний вуглецевий атом має sp²-гібридизацію. У гідрокарбонат- карбонат-аніонів відбувається делокалізація π-зв'язку. Довжина зв'язку C—O в карбонат-іоні становить 129 пм.

Хімічні властивості

Рівновага у водних розчинах та кислотність

Вугільна кислота існує у водних розчинах в стані рівноваги з гідратом діоксиду вуглецю:

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

Швидкість прямої реакції 0,039 с⁻¹, зворотної — 23 с⁻¹.

У свою чергу розчинений гідрат діоксиду вуглецю знаходиться в рівновазі з газоподібним діоксидом вуглецю:

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

Дана рівновагу при підвищенні температури зсувається вправо, а при підвищенні тиску — вліво (докладніше див. Абсорбція газів).

Вугільна кислота піддається оборотньому гідролізу, створюючи при цьому кисле середовище:

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

Однак, для практичних розрахунків частіше використовують уявну константу кислотності, що враховує рівновагу вугільної кислоти з гідратом діоксиду вуглецю:

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

гідрокарбонат-іон піддається подальшому гідролізу по реакції

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

Таким чином, в розчинах, що містять вугільну кислоту, створюється складна рівноважна система, яку можна зобразити у загальному вигляді таким чином:

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

Значення pH в такій системі, яке відповідає насиченому розчину діоксиду вуглецю в воді при 25 °C і тиску 760 мм рт. ст., можна розрахувати по формулі:

${\displaystyle \mathrm {pH} \approx -{\frac {1}{2}}\lg(K_{a}'\cdot L)=3,9}$, где L = 0,034 моль/л — розчинність CO₂ в воді при вказаних умовах.

Розкладання

При збовтуванні, підвищенні температури розчину і/або пониженні парціального тиску діоксиду вуглецю рівновагу в системі ${\displaystyle \ \mathrm {(\ \ast )} }$ зміщується вліво, що призводить до розкладання частини вугільної кислоти на воду і діоксид вуглецю. При кипінні розчину вугільна кислота розкладається повністю:

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

Взаємодія з основами та солями

Вугільна кислота вступає в реакції нейтралізації з розчинами основ, утворюючи середні та кислі солі (хімія) — карбонати та гідрокарбонати відповідно:

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

${\displaystyle \ \mathrm {H_{2}CO_{3}+\ \ NaOH} }$ _(розч.) ${\displaystyle \ \mathrm {\ \longrightarrow NaHCO_{3}+\ \ H_{2}O} }$ ​​]

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

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

При взаємодії вугільної кислоти з карбонатами утворюються гідрокарбонати:

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

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

Отримання

Вугільна кислота утворюється при розчиненні у воді діоксиду вуглецю:

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

Вміст вугільної кислоти в розчині збільшується при зниженні температури розчину та збільшенні тиску вуглекислого газу.

Також вугільна кислота утворюється при взаємодії її солей (карбонатів та гідрокарбонатів) з більш сильною кислотою. При цьому велика частина утворилася вугільної кислоти, як правило, розкладається на воду і діоксид вуглецю:

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

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

Застосування

Вугільна кислота завжди присутня у водних розчинах вуглекислого газу (див. Газована вода).

В біохімії використовується властивість рівноважної системи змінювати тиск газу пропорційно зміні змісту іонів оксонію (кислотності) при постійній температурі. Це дозволяє реєструвати в реальному часі хід ферментативних реакцій, що протікають із зміною pH розчину.

Органічні похідні

Вугільну кислоту формально можна розглядати як карбонову кислоту з гідроксильною групою замість вуглеводневої залишку. У цій якості вона може утворювати всі похідні, характерні для карбонових кислот^[2].

Деякі представники подібних сполук перераховані в таблиці.

Клас сполук	Приклад сполук
Естери	полікарбонат
Хлороангідриди	фосген
Аміди	сечовина
Нітрили	ціанові кислоти
Ангідриди	піровуглецева кислота

Див. також

• Діоксид вуглецю
• Карбонати
• Гідрокарбонати
• Карбонові кислоти
• Газована вода
• Тіокарбонатні кислоти