§13. Угольная кислота и карбонаты

Формула угольной (карбонатной) кислоты – Н₂СО₃.
Солеобразующий оксид СО₂ растворяясь в воде образует слабую кислоту, которая существует только в момент ее образования. Кислота не устойчива и сразу разлагается на углекислый газ и воду:
Н₂СО₃ ⇄ СО₂↑+ Н₂О.
Как двухосновная, она диссоциирует ступенчато. Сначала Н₂СО₃ ⇄ Н⁺ + НСО₃^–, а дальше у невеликій кількостіа далее в небольшом количестве НСО₃^– ⇄ Н⁺ + СО₃^2–.

Ступінь дисоціації низький.
Внаслідок нестійкості молекул карбонатної кислоти її не можливо виділити в чистому вигляді. Якщо воду під тиском наситити вуглекислим газом, то добувають газовану воду. Газована вода – це і є водний розчин вугільної кислоти. Коли пляшку з газованою водою відкрити, тиск зменшується і вуглекислий газ у вигляді бульбашок виходить з води, тобто кислота розкладається. В момент її утворення вона взаємодіє з оксидами й гідроксидами лужних і лужноземельних металів.

Хімічні властивості карбонатної кислоти

Карбонатна кислота в момент її утворення взаємодіє з активними металами, основними оксидами, лугами. При надлишку кислоти з лугами утворюється кисла сіль.
Наприклад:
H₂CO₃ + Mg → MgCO₃ + H₂
H₂CO₃ + CaO → CaCO₃ + H₂O
H₂CO₃ + 2NaOH → Na₂CO₃ + 2H₂O
H₂CO₃ + NaOH → NaHCO₃ + H₂O

У природних умовах розчинений вуглекислий газ входить до складу мінеральної води. Дощова вода з вмістом СО₂ повільно розчиняє мармур, пам’ятники, прискорює корозію. Розчиняючи вапнякові породи до кислих солей сприяє утворенню печер.

Карбонати

Карбонатна кислота утворює два ряди солей: середні та кислі.

Кислота	Кислотний залишок	Характер солі	Склад солі, назва	Приклад
Н₂СО₃	− НСО₃	кисла	Me(HCO₃)_у гідрогенкарбонати	NaHCO₃ – натрій гідрогенкабонат Ca(HCO₃)₂ – кальцій гідрогенкабонат
Н₂СО₃	= СО₃	середня	Meх(CO₃)_у карбонати	Na₂CO₃ – натрій карбонат CaCO₃ – кальцій карбонат

Солі карбонатної кислоти – кристалічні речовини, сполуки стійкі, хоча сама кислота не стійка. Їх можна добути взаємодією вуглекислого газу з лугом. Реакцію можна зобразити такою схемою:

MeOH + CO₂ = Me_х(CO₃)_у + Н₂О
MeOH + CO₂ = MeНCO₃

Наприклад:
CO₂ + 2NaOH → Na₂CO₃ + H₂O
CO₂ + NaOH → NaHCO₃

Карбонати лужних металів і амонію, гідрокарбонати розчиняються у воді. Карбонати інших металів у воді не розчиняються. Карбонати хрому, феруму(ІІІ), купруму, меркурію не існують.

У природі найпоширеніший кальцій карбонат СаСО₃ у вигляді вапняка, крейди та мармуру.

Хімічні властивості карбонатів

1. Відношення до нагрівання:
Карбонати лужних металів стійкі до нагрівання. Карбонат кальцію, магнію, малоактивних металів розкладаються при нагріванні: СаСО₃ → СаО + СО₂.

2. Взаємодія з кислотами:
При взаємодії карбонатів із сильними кислотами спостерігається сильне спінювання розчину внаслідок виділення вуглекислого газу: СаСО₃ + 2НCl = СаCl₂ + Н₂О + СО₂. Цю реакцію використовують, щоб розпізнати карбонати серед інших речовин.

Лабораторний дослід 8. Дослідження властивостей карбонатів

Дослід 1. Взаємодія питної соди з оцтовою кислотою.
В пробірку налийте 1-2 мл оцтової кислоти і добавте трішки соди. Спостерігайте виділення газу. Напишіть рівняння реакції. Який газ виділяється?

Дослід 2. Якісна реакція на карбонати.
Налийте в пробірку натрій карбонат і долийте 1 мл розчину хлоридної кислоти. Що спостерігаєте? Напишіть повне та скорочене йонні рівняння.

3. Гідрокарбонати лужних металів перетворюються на карбонати:
2NаНСО₃ → Nа₂СО₃ + СО₂ + Н₂О, інші – на оксиди: Mg(НСО₃)₂ → MgО + 2СО₂ + Н₂О.

4. Якщо через водний розчин натрій карбонату або кальцій карбонату пропустити вуглекислий газ, то карбонати перетворюються на гідрокарбонати: СаСО₃ + СО₂ + Н₂О = Са(НСО₃)₂.

Застосування

Деякі карбонати широко використовуються в промисловості.
Na₂CO₃ (кальцинова сода) – у виробництві скла, мила, паперу, у побуті як миючий засіб, у нафтовій промисловості.
CaCO₃ – як будівельний матеріал і як вихідний продукт для добування вапна. Мелена крейда як наповнювач для ґумових сумішей, паперу, лінолеуму, зубного порошку. Мармур – для виготовлення скульптур, у будівництві.
MgCO₃ – для добування MgO і чистого CO₂, який використовується для виробництва штучних мінеральних вод.
K₂CO₃ (поташ) – виробництво мила, скла, як калійне добриво.
NaHCO₃ (питна сода) – у кондитерській справі, для виготовлення штучних мінеральних вод, у вогнегасниках, у медицині, у фотосправі.
NH₄HCO₃ (амоніяк) – у кондитерській справі, для фарбування тканин, у медицині.
PbCO₃ – для виготовлення свинцевого білила. Фарба дає міцне покриття, зокрема для кораблів, але дуже отруйна.
Cu₂(OH)₂CO₃ (малахіт) – для виготовлення зелених фарб, ювелірних виробів, у піротехніці.

Завдання для самоконтролю

■ 157. Як дослідним шляхом можна довести наявність в окремих пробірках таких солей: натрій хлориду, натрій карбонату, натрій фосфату і натрій сульфату? Напишіть рівняння реакцій.

158. Яка сіль утвориться при взаємодії калій гідроксиду кількістю речовини 1 моль з карбонатною кислотою кількістю речовини 1 моль: кисла, основна чи середня. Відповідь підтвердіть рівняннями реакцій.

159. Серед переліку речовин виберіть формулу питної і кальцинованої соди:
Na₂CO₃, NaHCO₃, Na2CO₃•10H₂O, CaCO₃, K₂CO₃. Назвіть галузі їх застосування.

160. Як діють на карбонати розчини мінеральних кислот? Напишіть рівняння реакцій.

161. Дано: натрій хлорид, кальцій карбонат, кокс, вода, повітря. Як добути з них не менше 10 речовин, які мають практичне значення?

162. Складіть рівняння таких окисно-відновних реакцій:
KNO₃ + S + C → K₂SO₄ + K₂CO₃ + CO₂ + N₂
KNO₃ + S + C → K₂S + CO₂ + N₂

163. Здійсніть такі перетворення:
а) CH₄ → C → CO₂;
б) Ca(HCO₃)₂ → CaCl₂ → Cl₂;
в) CO₂ → Na₂CO₃ → NaHCO₃ → NaNO₃ → NaNO₂.

164. Як практично здійснити реакції за такими схемами:
MgCO₃ + H⁺ → Mg²⁺ + CO₂ + H₂O;
CO₃^2– + H⁺ → H₂O + CO₂.

▲ ● 165. Вкажіть загальну назву солей карбонатної кислоти:
а) хлориди;
б) карбонати;
в) селітри;
г) силікати.

166. Виберіть формулу питної соди:
а) Na₂CO₃;
б) NaHCO₃;
в) K₂CO₃;
г) CaCO₃.

●● 167. Напишіть формули кислих і середніх солей карбонатів:
а) Магнію;
б) Калію;
в) Натрію.
Назвіть їх.

168. Серед переліку речовин виберіть формулу кальцинованої соди:
Na₂CO₃, NaHCO₃, Na₂CO₃ • 10H₂O, K₂CO₃, CaCO₃.

●●● 169. Як діють на карбонати розчини мінеральних кислот? Поясніть на прикладі реакцій:
Na₂CO₃ + HCl →
K₂CO₃ + H₂SO₄ →

170. Складіть рівняння таких окисно-відновних реакцій:
ZnO + C → Zn + CO₂;
H₂SO₄ + C → CO₂ + SO₂ + H₂O.

171. Яку роль виконує сода при випіканні тіста?

●●●● 172. Здійсніть такі перетворення:
MgCO₃ → CO₂ → CaCO₃ → Ca(HCO₃)₂ → CaCO₃ → CO₂;
C → CO₂ → MgCO₃ → Mg(HCO₃)₂ → CO₂.

173. Як практично здійснити реакції за такими схемами:
Ca²⁺ + CO₃^2– → CaCO₃;
Mg²⁺ + CO₂ → MgCO₃.

174. Складіть щонайменше три рівнянні реакцій добування кальцій карбонату різними способами.

Практична робота 1. Добування карбон(IV) оксиду. Взаємоперетворення карбонатів і гідрогенкарбонатів

Прилади і реактиви: прилад для добування газів, газовідвідна трубка з корком, штатив з пробірками, скіпка, сірники, мармур або крейда, розчин хлоридної кислоти, вапняна вода.

Складіть прилад для добування газів і випробуйте його на герметичність. Замість колби можна взяти велику пробірку. У пробірку покладіть кілька шматочків мармуру або крейди і долийте трохи розбавленої хлоридної кислоти.
Пробірку швидко закрийте корком з відвідною трубкою, кінець якої занурте у пробірку з вапняною водою. Що спостерігається?
Продовжуйте пропускати газ у цю саму пробірку доти, доки не зникне каламуть і утвориться прозорий розчин. Чому розчин став прозорим?
Кінець газовідвідної трубки опустіть у порожній стакан або пробірку. Час від часу запаленою скіпкою перевіряйте наявність вуглекислого газу. Що спостерігаєте?

Дайте відповідь на запитання:

що відбувається при дії хлоридної кислоти на карбонати?
як двома способами можна довести, що з пробірки виділяється саме вуглекислий газ?
як пояснити появу каламуті в пробірці з вапняною водою, крізь яку пропускали цей газ і чому ця каламуть зникла? Напишіть рівняння реакцій у молекулярній, повній і скороченій йонних формах.
як можна добути CO₂ в лабораторії?
при яких умовах карбонати перетворюються на гідрогенкарбонати?
яка реакція якісна на карбонат-йон?