57. Угольная кислота и ее соли. Временная жесткость воды и

способы ее устранения. Карбонатное равновесие в природе.

Углекислому газу CO2 соответствует угольная кислота H2CO3. Это слабая двухосновная кислота, известная в водных растворах, образующихся при растворении углекислого газа в воде. Кислота слабая очень непрочная, разлагается на углекислый газ и воду:

CO2+H2O↔H2CO3

Углекислый газ в воде находится преимущественно в виде гидратированных молекул CO2 и лишь в незначительной степени в форме угольной кислоты. При этом в растворе устанавливается равновесие:

(г) (раствор)CO2(г)+H2O↔CO2⋅H2O (раствор)↔H2CO3↔H++HCO3−↔2H++CO32−

Угольная кислота – слабая неустойчивая кислота, которую в свободном состоянии из водных растворов выделить нельзя. СВОЙСТВА УГОЛЬНОЙ КИСЛОТЫ

H2CO3  - слабая двухосновная кислота, которая мало диссоциирует в две стадии, 

(гидрокарбонат-ион)H2CO3↔H++HCO3−(гидрокарбонат-ион)

(карбонат-ион)HCO3−↔H++CO32−(карбонат-ион)

Среда кислая и индикаторы принимают соответствующую окраску: - лакмус краснеет в водном растворе; метилоранж - розовеет; фенолфталеин - не используется для определения кислой среды (остается бесцветным) СОЛИ УГОЛЬНОЙ КИСЛОТЫ - КАРБОНАТЫ И ГИДРОКАРБОНАТЫ

Угольная кислота, являясь двухосновной образует два типа солей – карбонаты и гидрокарбонаты.  В воде растворимы гидрокарбонаты, также средние карбонаты щелочных металлов и аммония. Карбонаты магния и щелочноземельных металлов, особенно кальция, широко распространены в природе, образуя карбонатные горные породы. Из них состоят кораллы, жемчуг и панцири некоторых простейших.

Вода, насыщенная углекислым газом, медленно растворяет их, образуя растворимые гидрокарбонаты, известные лишь в растворах:

CaCO3+CO2+H2O→Ca(HCO3)2

Они легко разлагаются, выделяя углекислый газ и вновь образуя карбонат. Так возникают сталактиты и сталагмиты. 

    

Среди карбонатов важное значение в технике играет известняк, сода: стиральная и питьевая.

Преимущественный тип связи в солях угольной кислоты - ионный (между катионами металла и карбонат- или гидрокарбонат-ионами). Карбонат-ион имеет форму правильного плоского треугольника. ТРИВИАЛЬНЫЕ НАЗВАНИЯ СОЛЕЙ УГОЛЬНОЙ КИСЛОТЫ

• Na2CO3 кальцинированная (техническая, стиральная) сода 

• Na2CO3⋅10H2O – кристаллическая сода

• NaHCO3 питьевая (пищевая) сода

• K2CO3 поташ

• CaCO3  мел, мрамор, известняк

• MgCO3 доломит

ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА СОЛЕЙ Карбонаты относятся к средним солям, гидрокарбонаты - к кислым. Для них характерны общие свойства солей: они вступают в обменные реакции (протекают необратимо, в случае если образуется газ, осадок или малодиссоциирующее вещество). При этом важно помнить: угольная кислота неустойчива и всегда в уравнениях реакций записывается как CO2+H2O. 

а) с сильными кислотами, качественная реакция на карбонаты и гидрокарбонаты:

Na2CO3+2HCl→2NaCl+H2O+CO2↑

NaHCO3+HNO3→H2O+CO2↑+NaNO3

б) с растворимыми солями и основаниям:

Na2CO3+Ba(OH)2→BaCO3↓+2NaOH

Na2CO3+CaCl2→CaCO3↓+2NaCl

в) реакции разложения:

Карбонаты металлов (кроме карбонатов натрия, калия, рубидия и цезия) при нагревании разлагаются:

CuCO3→tCuO+CO2

Гидрокарбонаты разлагаются с образованием карбонатов:

Ca(HCO3)2→t,∘CCaCO3↓+H2O+CO2↑

1) Для карбонатов характерны свойства средних солей: при пропускании углекислого газа из карбонатов образуются гидрокарбонаты (кислые соли):

CaCO3+CO2+H2O→Ca(HCO3)2

2) Для гидрокарбонатов характерны свойства кислых солей: реагируют со щелочами, образуя средние соли:

KHCO3+KOH→K2CO3+H2O

Взаимосвязь между карбонатами и гидрокарбонатами отражается уравнениями:

Me(HCO3)n+Me(OH)n→MeCO3+nH2O

Me(HCO3)n→t,∘CMeCO3↓+nH2O+CO2↑

MeCO3+H2O+CO2→Me(HCO3)n

На разложении растворимых гидрокарбонатов кальция и магния при температуре основан метод уменьшения временной жесткости воды посредством кипячения.

Качественной реакцией на карбонат и гидрокарбонат ионы является их взаимодействие с сильной кислотой, наблюдается образование углекислого газа с характерным вскипанием:

Na2CO3+2HCl→2NaCl+H2O+CO2↑

CO32−+2H+→CO2+H2O

Временная жесткость воды и способы ее устранения. Так как кальций широко распространен в природе, его соли в большом количестве содержатся в природных водах. Вода, имеющая в своем составе соли магния и кальция, называется жесткой водой. Если соли присутствуют в воде в небольших количествах или отсутствуют, то вода называется мягкой. 1) карбонатную жесткость (временную), которая вызывается наличием гидрокарбонатов кальция и магния и устраняется с помощью кипячения; 2) некарбонатную жесткость (постоянную), которая вызывается присутствием в воде сульфитов и хлоридов кальция и магния, которые при кипячении не удаляются, поэтому она называется постоянной жесткостью. Методы устранения Термоумягчение. Основан на кипячении воды, в результате термически нестойкие гидрокарбонаты кальция и магния разлагаются с образованием накипи:

Ca(HCO₃)₂ → CaCO₃↓ + CO₂ + H₂O

Кипячение устраняет только временную (карбонатную) жёсткость. Находит применение в быту. Реагентное умягчение. Метод основан на добавлении в воду кальцинированной соды Na₂CO₃ или гашёной извести Ca(OH)₂. При этом соли кальция и магния переходят в нерастворимые соединения и, как следствие, выпадают в осадок. Например, добавление гашёной извести приводит к переводу солей кальция в нерастворимый карбонат:

Ca(HCO₃)₂ + Ca(OH)₂ → 2CaCO₃↓ + 2H₂O

Обратный осмос. Метод основан на прохождении воды через полупроницаемые мембраны (как правило, полиамидные). Вместе с солями жёсткости удаляется и большинство других солей. Эффективность очистки может достигать 99,9 %. Электродиализ. Основан на удалении из воды солей под действием электрического поля. Удаление ионов растворенных веществ происходит за счёт специальных мембран. Так же как и при использовании технологии обратного осмоса, происходит удаление и других солей, помимо ионов жёсткости. Полностью очистить воду от солей жёсткости можно дистилляцией. Дистилляция (лат. distillatio — стекание каплями) — перегонка, испарение жидкости с последующим охлаждением иконденсацией паров.

Карбонатное равновесие в природе.

Создатель учения о природных водах академик В.И.Вернадский неоднократно подчеркивал, что в природе устанавливаются довольно подвижные равновесия между природными водами, газами и твердыми телами.Из числа равновесий, которые устанавливаются в природных водах, важнейшим является карбонатно-кальциевое. Основными его компонентами являются: СО₂, Н₂СО₃, НСО₃^-, СО₃^2-, Са²⁺, Н⁺. Карбонатная система в водоемах и водотоках имеет исключительно важное значение, во-первых, для протекающих в них физико-химических, биологических и других процессов. Во-вторых, состоянием карбонатно-кальциевого равновесия определяются условия растворения или осаждения карбонатов, в частности, СаСО₃. В-третьих, изучение равновесия имеет большое значение для практических целей, например, для характеристики воздействия воды на строительные сооружения из бетона. Как же возникает равновесие между указанными компонентами? Большая часть СО₂ находится в воде в виде молекул растворенного газа и только около 1 % реагирует с водой, образуя угольную кислоту:

При растворении солей угольной кислоты, происходящей под действием СО₂, в воде появляются ионы СО₃^2- и НСО₃^-. Устанавливается подвижное равновесие:

От количественных соотношений между НСО₃^-, СО₃^2- — ионами и СО₂ зависит концентрация водородных ионов Н⁺. Содержание карбонатных ионов лимитируется концентрацией ионов Са²⁺, образующих с ионами СО₃^2- труднорастворимый осадок СаСО_3, растворимость которого определяется произведением активностей:

Другим важным компонентом карбонатно-кальциевого равновесия, влияющим на его состояние, является оксид углерода (IV) (Н₂СО₃ + СО₂). Изменение содержания диоксида углерода в воде вызывает сдвиг равновесия в ту или иную сторону. Таким образом, карбонатно-кальциевая система включает в себя ряд равновесий, составляющих общее подвижное равновесие. Каждое из отдельных равновесий с количественной стороны характеризуется соответствующей константой, определяющей соотношение между концентрациями компонентов при данных условиях. Изменение в одной части общего равновесия вызывает соответствующее изменение во всей цепи. Например, увеличение в воде СО₂ понижает значения рН, уменьшает содержание СО₃^2-, в силу чего вода становится ненасыщенной карбонатом кальция.

Согласно современным представлениям схема карбонатно-кальциевого равновесия имеет вид* (по Хорну Р.)

*Линия, соответствующая давлению, направлена по часовой стрелке, температуре — против часовой стрелки. В присутствии избытка СО₂ в раствор переходят ионы НСО₃^- и СО₃^{2 —} до установления нового равновесия между НСО₃.