4. Карбонатна кислота та її солі

Карбонатна (вугільна) кислота \(H_2CO3\) — розчин вуглекислого газу у воді. Це слабка двохосновна кислота. Вона утворюється при розчиненні у воді карбон(\(IV\)) оксиду і у вільному вигляді з розчину не виділяється. При спробі виділення кислота легко розкладається на вуглекислий газ і воду:

Карбонатна кислота дисоціює ступінчасто. При дисоціації на першому ступені утворюється гідрогенкарбонат-йон і йон Гідрогену:

Гідрогенкарбонат-йон частково розпадається на карбонат-йон і ще один йон Гідрогену:

Дисоціація протікає слабо, йонів Гідрогену в розчині міститься небагато. Тому розчин карбон(\(IV\)) оксиду (карбонатна кислота) має злегка кислуватий смак і змінює забарвлення лакмусу на рожевий (не червоний).

Як двохосновна карбонатна кислота утворює два ряди солей: середні — карбонати (\(K_2CO_3\), \(CaCO_3\)) і кислі — гідрогенкарбонати (\(NaHCO_3\), \(Ca(HCO_3)_2\)).

З карбонатів розчиняються у воді лише солі Натрію, Калію і амонію. Гідрогенкарбонати розчиняються краще.

У результаті виділяється вуглекислий газ, що дозволяє використовувати цю реакцію як якісну на карбонати і гідрогенкарбонати:

З присутністю у воді гідрогенкарбонатів кальцію і магнію пов’язана тимчасова жорсткість води . Тимчасова — тому що при нагріванні розчинні кислі солі розкладаються, і йони металів зв’язуються у нерозчинні карбонати.

\(Na_2CO_3\) — натрій карбонат , або сода . Застосовується у виробництві скла, мила, паперу.

\(NaHCO_3\) — натрій гідрогенкарбонат , або питна сода . Використовується у побуті і харчової промисловості як розпушувач тіста. Застосовується у медицині.

\(K_2CO_3\) — калій карбонат , або поташ . Застосовується у виробництві рідкого мила, скла, як добриво.

\(CaCO_3\) — кальцій карбонат . У природі зустрічається у вигляді крейди , мармуру , вапняку . Застосовуються як будівельні та оздоблювальні матеріали, а також у виробництві негашеного вапна, цементу, скла.

Солі вугільної кислоти. Застосування солей вугільної кислоти

Неорганічні кислоти мають дуже важливе значення в хімічній промисловості. Адже вони є сировиною для багатьох синтезів, каталізують процеси, діють як водоотнимающие кошти при дегідратації та інше.

Однак ще цінніші їх солі – продукти заміщення водню на метал у складі їх молекул. Вугільна кислота в цьому відношенні є особливою. Адже сама по собі вона практично не існує, на повітрі відразу розпадаючись на вуглекислий газ і воду. Зате вугільна кислота утворює солі, які відомі людині з давніх часів. Вони користуються великою популярністю у багатьох галузях виробництва та діяльності. Їх і розглянемо.

Солі вугільної кислоти: класифікація

По-перше, відразу слід зазначити, що називатися аналізовані речовини можуть по-різному. Так уже повелося, що всі назви прижилися і використовуються донині, як історично склалися або тривіальні, так і дані за раціональною номенклатурою. Отже, солі вугільної кислоти, називаються вони так:

• карбонати;
• бікарбонати;
• вуглекислі;
• двовуглекислу;
• гідрокарбонати.

Ну і звичайно, у кожної є ще своє простонародне назва, яке є індивідуальним.

У наведених назвах відразу відображена та класифікація розглянутих сполук. Так як кислота двухосновная, то і солі вона формує двох видів:

До назви останніх додаються приставки гідро – або бі-. Практично кожна сіль лужного або лужноземельних металів – це практично важливе з’єднання, яке потрібно людям в господарській діяльності.

Історія відкриття та використання

З найдавніших часів людям відомі солі вугільної кислоти. Адже ще в Стародавньому Єгипті здійснювали будівництво за допомогою гіпсу, алебастру, використовували вапняк і мармур.

У працях Плінія Старшого згадується технологічний процес одержання вапна випаленням вапняку. Славнозвісне чудо світу – піраміди – споруджувалися з використанням гіпсу і матеріалів, отриманих нього. Із золи рослин отримували поташ і використовували його для прання білизни, а потім і в миловарінні.

Тобто використовувати продукти, які дає природа, люди вміли практично завжди. Однак те, що це солі вугільної кислоти, яке вони мають будову, як можна синтезувати їх штучно, і які інші їх характеристики, стало відомо багато пізніше, вже в XVII-XVIII століттях.

Сьогодні широке застосування знаходять багато карбонати лужних і лужноземельних металів, деякі з них беруть важливу участь в процесах циркуляції підземних вод.

Родовища у природі

По процентному співвідношенню розглянуті мінерали займають приблизно 5% від усієї маси земної кори. Вони утворюються в основному зовні, утворюючи гірські породи. Також багато солей формується гідротермальним шляхом.

Мікроорганізми, молюски та інші тварини і рослини сприяють утворенню карбонатів біохімічним шляхом. Часто солі вугільної кислоти зустрічаються у складі руд, супроводжуючи їх шляхом формування асоціатів.

Найвідоміші мінерали і гірські породи цих сполук:

• кальцит;
• доломіт;
• крейда;
• мармур;
• вапняк;
• гіпс;
• магнезит;
• сидерит;
• малахіт.

Способи одержання і застосування

Солі вугільної кислоти називаються карбонати (якщо мова йде про середні варіаціях). Це означає, що до їх складу обов’язково входить карбонат-іон, формула якого CO₃ 2- . Для завершення повного виду саме солі не вистачає лише катіона металу та індексів, які відображають кількісний склад з’єднання. Це використовується в лабораторних способи отримання цих речовин.

Адже крім видобутку з природних джерел, вуглекислі солі можна синтезувати і по реакціях обміну, сполуки і заміщення. Однак практичної значущості такі способи не мають, так як вихід продукту занадто малий і енерговитратний.

Де ж здійснюється застосування солей вугільної кислоти, в яких областях? Для кожної з них це індивідуально, але в загальному можна окреслити кілька основних галузей.

1. Будівельна справа.
2. Хімічна промисловість.
3. Виробництво скла.
4. Миловаріння.
5. Синтез папери.
6. Харчова промисловість.
7. Виготовлення миючих і чистячих засобів.
8. Карбонати кальцію – джерело іонів металу в організмі живих істот.

Розглянемо конкретно кілька прикладів карбонатів, їх склад та значення.

Карбонат кальцію

Як вже було зазначено вище, дану речовину – джерело іонів кальцію Са 2+ в організмі людини. А це дуже важливо. Адже вони беруть участь у підтримці сталості буферної системи крові,що входять до складу кісток, нігтів, волосся, зміцнюють зубну емаль.

При нестачі кальцію розвиваються різні захворювання, у тому числі і такі небезпечні, як серцева недостатність, остеопороз, патологічні зміни в кришталику очного яблука та інші.

Крім цього, карбонат кальцію також застосовується в будівельній справі. Адже його різновиди – це:

Родовища даної солі досить багаті, щоб людина не відчував дефіциту в ній. Часто вона продається в очищеному вигляді у формі таблеток, як на фото нижче. Правда, щоб кальцій засвоювався досить добре, потрібна присутність вітаміну Д.

Вуглекислий натрій

Солі вугільної кислоти – карбонати – мають важливе значення і в побутовому господарстві людини. Так, карбонат натрію, або вуглекислий натрій, в народі має назву сода. Однак це не те речовина, яка є важливою частиною при приготуванні різних страв. Ні, дана сіль використовується в господарських цілях для чищення побутових поверхонь виробів: ванн, раковин, посуду та інших. Вона більш відома як кальцинована або білизняна сода, її використовують у скляному виробництві, миловарінні.

Формула даного з’єднання Na₂CO₃*10H₂O. Це середня водна сіль, відноситься до кристаллогидратам. У природі зустрічається у вигляді мінералів і в складі гірських порід. Приклади:

Часто виділяється з морських водоростей, їх золи. Саме цей спосіб використовували в давнину, щоб отримати сировину для виробництва мила або просто випрати білизну. Найбагатшим рослиною, що містить дану сіль, є солянка содоносная. Її зола максимально прийнятна для одержання карбонату натрію.

Поташ

Формула солі вугільної кислоти, що має таку назву, – K₂CO₃. Це білий дрібнокристалічний гігроскопічний порошок. Середня безводна сіль, яка має дуже гарну розчинність. Дане з’єднання також відомо людям вже давно, і воно знаходить широке застосування сьогодні. Синоніми назви:

Основні області використання наступні.

1. В якості реагенту при процесах виробництва рідкого мила.
2. Для синтезу кришталю та оптичного скла, тугоплавкого скла.
3. Для фарбування тканин.
4. Як добриво для сільськогосподарських культур.
5. У будівельній справі – для зниження температури замерзання будівельних сумішей.
6. У фотосправі.

Основний промисловий спосіб отримання даної солі – електроліз хлориду кальцію. При цьому формується гідроксид, який взаємодіє з діоксидом вуглецю і утворює поташ. Природна сировина – це зола злаків і водоростей, в яких міститься багато.

Питна сода

Кислі солі вугільної кислоти мають не менш важливе значення, ніж середні. Так, наприклад, бікарбонат натрію, формула якого NaHCO₃. Інша його назва, більш відома для всіх – питна сода. Зовні це дрібнодисперсний білий порошок, який дуже добре розчинний у воді. З’єднання при нагріванні нестійке, одразу розкладається на вуглекислий газ, воду і середню сіль. Це дозволяє використовувати питну соду в якості буфера у внутрішньому середовищі живих організмів.

Також існує ще кілька областей застосування даного з’єднання:

• харчова (особливо кондитерська) промисловість;
• медицина (для обробки опіків кислотами);
• у хімічних синтезах при отриманні пластмас, барвників, пінопластів, товарів побутової хімії;
• в легкій і текстильній промисловості (дублення шкіри, обробка шовкових тканин та інше);
• використовується при виготовленні газованих напоїв і різних кулінарних страв;
• бікарбонатом натрію заправляють вогнегасники.

Гідрокарбонат кальцію

Ця кисла сіль вугільної кислоти – важлива частина в циркуляції підземних вод. Дане з’єднання забезпечує формування тимчасової жорсткості води, устраняемой кип’ятінням. При цьому саме бікарбонат кальцію сприяє масових переміщень карбонатів у природі, тобто здійснює їх кругообіг. Формула цього з’єднання – Ca(HCO₃)₂.

Вугільна кислота та її солі

Двоокис вуглецю є ангідридом вугільної кислоти. Вугільна кислота Н2СО3 сама по собі вельми нетривке речовина. Вона існує тільки у водних розчинах. При спробі виділити її з цих розчинів вона легко розпадається на воду і двоокис вуглецю:
H2CО3 ⇄ Н2О + СО2
H2CО3 ⇄ H + + HCO-3 ⇄ 2H + + СО23-
Вугільна кислота є дуже слабким електролітом; тим не менше, будучи двухосновной, вона утворює два ряди солей: середні – карбонати і кислі – бікарбонати. Вуглекислі солі цікаві тим, що при дії на них кислоти виділяється двоокис вуглецю:
К2СО3 + 2НСl = 2КСl + Н2СО3

■ 26. Наведене рівняння напишіть в іонній формі, а також приведіть ще два рівняння реакцій, що ілюструють дію кислот на карбонати.
27. Напишіть рівняння реакції дії соляної кислоти на бікарбонат магнію в молекулярній і іонної формах. (Див. Відповідь)

При обробці двоокисом вуглецю і водою карбонати перетворюються на бікарбонати. При нагріванні відбувається зворотне перетворення:
звичайні умови
СаСО3 + СО2 + Н2О ⇄ Са (НСО3) 2
нагрівання
Перехід нерозчинного карбонату в розчинний бікарбонат призводить до вимивання карбонату із земної кори, в результаті чого утворюються порожнечі – печери. Карбонати здебільшого у воді нерозчинні, за винятком карбонатів лужних металів і амонію. Бікарбонати розчинні краще.

Серед карбонатів особливої ​​уваги заслуговує карбонат кальцію СаСО3, що зустрічається в трьох видах: у вигляді мармуру, вапняку і крейди. Крім того, в з’єднанні з карбонатом магнію він входить до складу гірської породи доломіту MgCО3 · CaCО3. Незважаючи на однаковий вий хімічний склад, фізичні властивості цих порід абсолютно різні.
Мармур – тверда, кристалічна речовина магматичного походження. Він поступово викристалізувався всередині остигає магми. Часто мармур буває забарвлений домішками в різні кольори. Мармур дуже добре полірується і тому широко використовується як обробний матеріал для облицювання будівельних споруд і в скульптурі.

Вапняк – осадова порода органічного походження. Нерідко у вапняку можна виявити залишки стародавніх тварин, головним чином молюсків у вапняних раковинах. Іноді вони бувають досить великими, а іноді видно лише під мікроскопом. За мільйони років вапняк ущільнився і став настільки твердим, що його застосовують як будівельний матеріал. Але в даний час він поступово витісняється більш дешевими, легкими і зручними штучними матеріалами. Вапняк використовується головним чином для отримання вапна.

Мел – мятка осадова порода білого кольору. Застосовується в будівництві для побілки. При виготовленні зубного порошку крейда спочатку розчиняють в кислоті, а потім знову осаджують, оскільки в природному речовині попадаються дрібні тверді частинки кремнезему, які можуть подряпати зубну емаль.
Бікарбонат кальцію Са (НСО3) 2 в природі зустрічається в розчиненому стані. Утворюється при дії води в поєднанні з двоокисом вуглецю на вапняк. Присутність цієї солі надає воді тимчасову (карбонатну) жорсткість.
Винятковий інтерес представляє сода Na2CО3, що зустрічається іноді в природі в так званих содових озерах. Але в даний час добування соди з природних джерел витісняється більш дешевим штучним отриманням цього продукту. Якщо сода містить кристалізаційну воду, то вона називається кристалічною содою Na2CО3 · 10Н2О, якщо ж не містить її, то кальцинованої содою. Сода дуже широко застосовується в миловарній, текстильній, паперовій і скляній галузях промисловості.

Двовуглекисла сода, або бікарбонат натрію, або питна сода, NaHCО3 застосовується при випічці кондитерських виробів як розпушувач тіста, а також у медицині при підвищеній кислотності шлунка, печії, діабеті і т. Д.
Карбонат калію K2CO3, або поташ, як і сода, застосовується в миловарній промисловості і у виробництві тугоплавкого скла.
Слід зазначити, що вуглець утворює звані органічні сполуки, кількість і різноманітність яких далеко перевершують з’єднання всіх інших елементів, разом узятих. Детальне вивчення сполук вуглецю виділено в самостійну галузь, звану органічною хімією.

■ 28. Як відрізнити один від одного представлені в твердому вигляді карбонат натрію, сульфат натрію, нітрат натрію? (Див. Відповідь)
29. В одну порцелянову чашку помістили карбонат кальцію, в іншу – нітрат калію, в третю – хлорид натрію і почали прожарювати, забувши відзначити, в якій чашці яка сіль. Як можна, спостерігаючи процес прожарювання і вивчивши продукти реакції, розпізнати взяті солі?