Карбонатна кислота

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 з⁻¹, зворотної — 23 з⁻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.

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:

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

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:

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

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