Угольная кислота: описание, свойства и реакции, применение

Угольная кислота – это органическое нестабильное соединение, быстро разлагающееся на углекислый газ и воду. В природе не встречается, может быть синтезировано в лабораторных условиях. Вещество применяется в промышленности в качестве реагента, для насыщения пузырьками питьевых жидкостей, в биохимии для идентификации ферментной реакции и контроля её хода в режиме реального времени. Угольная кислота необходима для производства морозильников, холодильных агентов, солнечных батарей.

Что такое угольная кислота

Угольная кислота представляет собой двухосновную карбоновую кислоту, имеющую пару гидроксильных группировок (-OH), присоединённых к углеродному атому. Формально она содержит карбоксильную группу -COOH. В природе углекислота не существует и моментально разлагается на оксид, синтезированная в вакууме в безводных условиях довольно стабильна и отличается высокими показателями устойчивости к агрессивным воздействиям окружающей среды.

Впервые угольную кислоту получил британский естествоиспытатель Джозеф Пристли в конце 18 века, растворив диоксид углерода в водной среде. После этого содовая получила широкое распространение и возникла необходимость в промышленной выработке ценного вещества.

Физические свойства, внешний вид, формула

Структурная формула и молекула угольной кислоты

Угольная кислота — это равновесный раствор, в котором преобладает разложение с образованием двуокиси углерода. Химическая формула кислоты – H₂CO₃. Молекула располагается в пространстве на плоскости. Положение отдельных функциональных частей описывается sp²– гибридизацией – перекрывание атомных орбиталей (область пребывания электрона, электронное облако) – sp и p. Sp²-разновидность предполагает накладывание p-орбиталей и одной sp, они направлены к вершине треугольника под углом 120 °.

Ангидрид имеет вид твёрдых кристаллов без цвета и запаха с характерным кисловатым вкусом. Переходит из твёрдого состояния в газообразное при -30 °С. Не подвержен ультрафиолетовому излучения, избыточной влажности при низких отрицательных температурах. При подогревании дестабилизируется, в дальнейшем отмечается термолиз.

Химические свойства, реакции

Растворы угольной кислоты реагируют с активными металлами щелочноземельного ряда и соответствующими гидроксидами, образуя карбонаты:

H₂CO₃ + Ca → CaCO₃ + H₂↑

Угольная кислота проявляет типичные для кислот свойства, взаимодействуя с основными оксидами. Оксид кальция переходит в соль угольной кислоты:

H₂CO₃ + CaO → CaCO₃ + H₂O

Схожие продукты наблюдаются при взаимодействии с гидроксидом кальция:

H₂CO₃ + Ca(OH)₂ → CaCO₃↓ + 2H₂O

Угольная кислота реагирует с гидроксидами, давая начало бикарбонатам:

H₂CO₃ + NaOH → NaHCO₃ + H₂O

Реакция с гидроксидом может пойти и по другому пути, в результате выделяется карбонат:

H₂CO₃ + NaOH → Na₂CO₃ + H₂O

Другие соли угольной кислы формируются при смешивании её растворов с карбонатами:

H₂CO₃ + CaСO₃ → Ca(HCO₃)₂

Раствор угольной кислоты реагирует с силикатами, образуется осадок кремневой кислоты:

H₂CO₃ + Na₂SiO₃ → H₂SiO₃↓ + Na₂CO₃

Термолиз либо смешивание с жидкостью приводит к распадению, оксид улетучивается:

H₂CO₃ → CO₂↑ + H₂O

Диссоциация (расщепление на ионы) идёт в несколько обратимых этапов:

1. H₂CO₃ → H⁺ + HCO₃^–
   Первая ступень приводит к образованию протонов водорода и гидрокарбонат-иона, заряженного отрицательно.

2. HCO₃^– → H⁺ + CO₃^2-

Вторая, заключительная, стадия характеризуется образованием карбонат-иона, который имеет не поделённые электроны.

Индикатором произошедшей диссоциации служит покрасневшая лакмусовая бумажка. Посредством лакмуса – красящего пигмента, нанесённого на целлюлозу, известен в химии как pH-индикатор, краснеющий в кислой среде и синеющий – в щелочной. Высокая концентрация положительно заряженного водорода способствует закислению.

Получение, уравнение угольной кислоты

Безводная угольная кислота

В лаборатории раствор угольной кислоты производится посредством растворения соответствующего оксида:

CO₂ + H₂O → CO₂ ∙ H₂O → H₂CO₃

Реально получение угольной кислоты из ее солей через добавление к ним более сильных кислот, металлы вытесняются, отделяется белёсый осадок, раствор мутнеет, образуется взвесь мелкодисперсных хлопьев:

Na₂CO₃ + 2HCl → 2NaCl + H₂CO₃↓

Поскольку в растворенной форме она не способна существовать долгое время, запускается реакция разложения.

В промышленных условиях получение ведётся, как правило, через низкопроцентные газы. Для этого используют соду, а также поташ, обработку гидроксидами. Протекает реакция обмена, формируется раствор угольной кислоты.

Применение

Угольная кислота нашла широкое применение в связи с быстрым распадом на составные элементы. Часто используется для обогащения пузырьками лимонадов. В тяжёлой промышленности выполняет роль охлаждающего наполнителя холодильных машин, в садоводстве применяется как эффективное удобрение, регулирующее углеводное питание растений. Необходима в альтернативной энергетике, основной ресурс которой – солнечное излучение. Важна для органического синтеза, с помощью свойства давления газов пропорционально смещающемуся водородному показателю (pH).

Применение в пищевой промышленности

Раствор угольной кислоты пригоден для изготовления газированных напитков, поскольку сам диоксид трудно растворим при механической газации. Ее можно встретить в составе такой продукции как:

• фруктовые и минеральные напитки;
• лимонады;
• искусственно газированные вина;
• алкоголь (шампанское);

Нередко насыщение ведут химическим способом, в результате реакции брожения углекислота выделяется микроорганизмами, дрожжами, бактериями. По свойствам она практически не отличается от синтетической, менее интенсивна. Ее встречают в следующих продуктах:

• хлебный квас;
• пиво;
• игристые вина;
• чайный гриб;
• сидр.

Угольная кислота не проявляет дезинфицирующих свойств, т.к. не подавляет рост и жизнедеятельность патогенной микрофлоры и грибков, не сдвигает показатель кислотности среды, не служит консервантом.

Применение в сельском хозяйстве и других сферах

Угольная кислота – качественное удобрение, восполняющие дефицит углерода в растительном организме. Оно необходимо на бедных, истощенных почвах. Подкармливать культуры, склонные к недостатку азота, углекислотой не следует, поскольку она ухудшает усвоение этого макроэлемента. Внесение его в почву приемлемо под такие растения:

• картофель;
• перцы;
• томаты;
• огурцы;
• плодовые деревья;
• декоративные цветы;
• ягодные кустарники: смородина, малина, крыжовник;
• виноград;
• клубника.

Возможно два способа удобрения: внекорневое и прикорневое. Первый метод заключается в опрыскивании листьев в разгар вегетации либо сбрызгивании взошедших ростков. Второй предполагает полив под корень. Удобрять желательно до завязывания плодов и цветения, весной, в начале осени. Угольная кислота оказывает мощное комплексное влияние на состояние растительности:

1. Повышается прочность стеблей, побегов.
2. Интенсифицируется иммунный ответ, устойчивость к насекомым-вредителям, грибковым заболеваниям.
3. Ускоряется процесс формирования плодов, вкусовые качества становятся лучше за счёт накопления углеводов.
4. Обеспечивает стойкое, яркое и продолжительное цветение.
5. Улучшается засухоустойчивость, холодостойкость, ветроустойчивость.

Для получения наилучшего эффекта после применения угольной кислоты необходимо обильно рыхлить почву, создавая приток кислорода воздуха к корневой системе.

Угольная кислота — это предшественник многих ценных соединений. Она нужна для синтеза литиевой соли, востребованной для керамики и ракетных двигателей, многих гидроксидов. Сегодня распространены натуральные хладагенты, один из которых основан на производном углекислоты.

Где купить и сколько стоит

Угольная кислота продаётся заводами-производителями по цене от 70 рублей за 1 литр. Российских рынок чаще занимают зарубежные компании. Реактив можно приобрести в интернет-магазинах, специализирующихся на реагентах. Стоимость 100 мл порядка 300 рублей.

Заключение

Угольная кислота – это вещество, которое интенсивно разлагается при нагревании либо растворении. Активно используется для неорганического синтеза, биохимических исследований, в огородничестве для улучшения свойств почв и углеродного питания культурных растений. Является незаменимым компонентом керамопроизводства, пищевой индустрии, сталеварения, энергетической области.

Читайте также:

• Сульфат алюминия: свойства, применение
• Дихлорметан: свойства, реакции, применение
• Алюмосиликаты: свойства, виды, получение, применение
• Оксиды железа: свойства, реакции, применение, польза и вред