Угольная кислота. Карбонаты. Жёсткость воды

Угольная кислота. Карбонаты. Жёсткость воды

Угольная кислота образуется при растворении оксида углерода (IV) в воде.  Эта кислота нестойкая и почти сразу распадается на исходные вещества – углекислый газ и воду.

Получим угольную кислоту и исследуем её свойства. Собрав прибор для получения газов и проверив его на герметичность, следует поместить в пробирку кусочки мрамора и прилить соляной кислоты. После чего мы можем наблюдать выделение газа, который следует пропустить через воду с лакмусом. При этом видно, что лакмус изменил окраску с фиолетовой на красную. Но через некоторое время лакмус опять меняет свою окраску с красной на фиолетовую, потому что образовавшаяся угольная кислота является нестойкой и через некоторое время распадается на исходные вещества – углекислый газ и воду.

  СО₂ + Н₂О ↔ Н₂СО₃

Как двухосновная кислота угольная кислота диссоциирует по двум ступеням: на первой ступени образуется ион водорода и гидрокарбонат-ион, а на второй – ион водорода и карбонат-ион:

Н₂CO₃ ↔ H⁺ + HCO₃^-

HCO₃^- ↔ H⁺ + CO₃^2-

Угольная кислота образует два типа солей: средние – карбоната и кислые – гидрокарбонаты.  Например, CaCO₃ – карбонат кальция, Ca(HCO₃)₂ – гидрокарбонат кальция. Из карбонатов в воде растворимы только соли калия, натрия и аммония. Карбонаты других металлов нерастворимы в воде и при нагревании разлагаются на оксид металла и углекислый газ. При разложение карбоната магния  образуется оксид магния и углекислый газ, а  при разложении карбоната кальция  образуется оксид кальция и углекислый газ. При нагревании карбоната аммония образуется аммиак, вода и углекислый газ.

Кислые соли растворимы в воде.

Карбонаты могут превращаться в гидрокарбонаты: если через них пропустить углекислый газ в присутствии воды. Например, если через известковую воду пропускать углекислый газ, то сначала известковая вода мутнеет, вследствие образования карбоната кальция, но при дальнейшем пропускании углекислого газа помутнение исчезает, потому что карбонат переходит в гидрокарбонат.

Наличием гидрокарбонатов кальция и магния в природной воде объясняется её временная жёсткость. В жёсткой воде плохо мылится мыло, трудно стирать бельё, плохо развариваются овощи. Если нагреть растворимый гидрокарбонат кальция, то образуется снова карбонат кальция – нерастворимая в воде соль.

Эта реакция приводит к образованию накипи на стенках котлов, чайников, труб парового отопления. В природе в результате этой реакции в пещерах формируются свисающие вниз сталактиты, навстречу которым снизу вырастают сталагмиты.

Другие соли кальция и магния, такие как хлориды и сульфаты, придают воде постоянную жёсткость. Для её устранения нужно использовать карбонат натрия – Na₂CO₃ – соду, которая переводит ионы кальция в осадок. Например, в реакции хлорида кальция с карбонатом натрия образуется нерастворимая соль – карбонат кальция и хлорид натрия. Таким образом, карбонат натрия перевёл растворимую соль кальция – хлорид кальция, в нерастворимую – карбонат кальция.

Соду можно использовать и для устранения временной жёсткости.

Качественными реакциями на карбонаты и гидрокарбонаты являются реакции этих солей с кислотами. Например, если в расвтор карбоната натрия добавить соляной кислоты, то происходит «вскипание» раствора, из-за образовавшегося углекислого газа. То же самое можно наблюдать при добавлении соляной кислоты к гидрокарбонату натрия.

CO₃^2- + 2H⁺ = H₂O + CO₂↑  HCO₃^- + H⁺ = H₂O + CO₂↑

Из солей угольной кислоты наиболее широко применяют кристаллическую соду – Na₂CO₃ ∙ 10H₂O, кальцинированную соду – Na₂CO₃ – в стекольной, мыловаренной, целлюлозно-бумажной, текстильной, нефтеперерабатывающей и других отраслях промышленности, а в быту её используют как моющее средство.

Сода была известна человеку примерно за полторы – две тысячи лет до нашей эры, а может быть и раньше. Её добывали из содовых озёр и извлекали из месторождений. Первые сведения о получении соды путём упаривания воды озёр относятся к шестьдесят четвертому г н. э. и приведены в сочинениях древнеримского врача и ботаника Диоскорида Педания о лекарственных веществах.

Питьевая сода – NaHCO₃ – применяется в медицине, хлебопечении, пищевой промышленности, питьевая сода входит в состав наполнителя для огнетушителей.

Карбонат калия, или поташ – K₂CO₃ – используют для получения мыла, в фотографии, в качестве удобрения, при изготовлении тугоплавкого стекла.

Известняк, или мрамор – CaCO₃ – используют в строительстве как облицовочный и строительный материал. Он необходим для получения извести, его вносят в почву для понижения кислотности, мел необходим для побелки, а также в стекольной, резиновой и других областях промышленности.

Таким образом, угольная кислота – это двухосновная слабая неустойчивая кислота, которая образуется при растворении в воде углекислого газа, она диссоциирует по двум ступеням, поэтому образует два типа солей – карбонаты и гидрокарбонаты, карбонаты многих металлов нерастворимы в воде и при нагревании разлагаются, а гидрокарбонаты – это растворимые соли. Карбонаты можно перевести в гидрокарбонаты и наоборот. Для перевода карбоната в гидрокарбонат через карбонат пропускают углекислый газ в воде, а при нагревании гидрокарбонатов образуются карбонаты. Различают временную и постоянную жёсткость. Временная жёсткость обусловлена наличием гидрокарбонатов кальция и магния и устраняется кипячением, постоянная жёсткость обусловленая наличием других солей кальция и магния, и устраняется добавлением соды. Качественными реакциями на карбонат и гидрокарбонат-ион является действие кислот на эти соли, при этом наблюдается бурное выделение углекислого газа. Карбонаты и гидрокарбонаты многих металлов находят широкое применение во многих отраслях народного хозяйства.