Print bookPrint book

§ 42. Угольная и кремниевая кислоты, их соли

Site: Профильное обучение
Course: Химия. 11 класс
Book: § 42. Угольная и кремниевая кислоты, их соли
Printed by: Guest user
Date: Thursday, 23 May 2024, 9:25 PM

Угольная кислота и её соли

img
Рис. 100. Структурная формула и масштабная модель угольной кислоты

Угольная кислота H2CO3 является двухосновной и относится к слабым кислотам (рис. 100). В свободном состоянии в виде кристаллов она выделена при температуре ниже ‒30 °С лишь во втором десятилетии XXI века.

В водном растворе угольная кислота диссоциирует ступенчато:

straight H subscript 2 CO subscript 3 space rightwards arrow over leftwards arrow space straight H to the power of plus space end exponent plus space HCO subscript 3 superscript minus;
HCO subscript 3 superscript minus space rightwards arrow over leftwards arrow space straight H to the power of plus plus space CO subscript 3 superscript 2 minus end superscript.

В обычных условиях она распадается на углекислый газ и воду:

straight H subscript 2 CO subscript 3 space rightwards arrow over leftwards arrow space straight H subscript 2 straight O space plus space CO subscript 2 not stretchy upwards arrow.

Угольной кислоте соответствуют два ряда солей: карбонаты (средние) и гидрокарбонаты (кислые). Отметим два важнейших свойства солей угольной кислоты.

1. Взаимодействие с кислотами. Общим свойством карбонатов и гидрокарбонатов является «вскипание» при действии более сильных кислот как на твёрдую соль, так и на её раствор. Происходит выделение газа без цвета и запаха:

NaHCO subscript 3 space plus space HCl space equals space NaCl space plus space CO subscript 2 not stretchy upwards arrow space plus space straight H subscript 2 straight O;
HCO subscript 3 superscript minus space plus space straight H to the power of plus space equals space CO subscript 2 not stretchy upwards arrow space plus space straight H subscript 2 straight O;
MgCO subscript 3 space plus space 2 HCl space equals space MgCl subscript 2 space plus space straight H subscript 2 straight O space plus space CO subscript 2 not stretchy upwards arrow;
MgCO subscript 3 space plus space 2 straight H to the power of plus equals space Mg to the power of 2 plus end exponent plus space straight H subscript 2 straight O space plus space CO subscript 2 not stretchy upwards arrow.
img
Взаимодействие карбонатов и гидрокарбонатов с соляной кислотой

Взаимодействие солей с сильными кислотами используют как тест (качественную реакцию) на присутствие солей угольной кислоты  — карбонатов и гидрокарбонатов (Приложение 3).

Кроме того, такие реакции могут использоваться для получения углекислого газа в лаборатории, например, из мрамора CaCO3:

CaCO subscript 3 space plus space 2 HCl space equals space CaCl subscript 2 space plus space straight H subscript 2 straight O space plus space CO subscript 2 not stretchy upwards arrow.

2. Термическое разложение. Вторая особенность солей угольной кислоты — их невысокая термическая устойчивость (кроме карбонатов натрия и калия, рубидия и цезия). При нагревании они разлагаются:

2 NaHCO subscript 3 stack space equals space with t on top Na subscript 2 CO subscript 3 space end subscript plus space CO subscript 2 not stretchy upwards arrow space plus space straight H subscript 2 straight O semicolon
СaCO subscript 3 stack space equals space with t on top СаO space plus space CO subscript 2 not stretchy upwards arrow.

Анализируя вышесказанное и уравнения химических реакций предыдущего параграфа, можно сделать заключение, что карбонаты и гидрокарбонаты способны к взаимопревращениям, которые условно можно выразить схемой:

img

На примере карбоната кальция уравнения реакций, соответствующие данной схеме, выглядят так:

img

Ca left parenthesis HCO subscript 3 right parenthesis subscript 2 space plus space Сa left parenthesis OH right parenthesis subscript 2 space equals space 2 CaCO subscript 3 not stretchy downwards arrow space plus space 2 straight H subscript 2 straight O semicolon
Ca left parenthesis HCO subscript 3 right parenthesis subscript 2 space equals with t on top space CaCO subscript 3 not stretchy downwards arrow space plus space CO subscript 2 not stretchy upwards arrow space plus space straight H subscript 2 straight O.

Карбонаты и гидрокарбонаты находят широкое применение в строительстве, быту, оптике, медицине, а также в производстве мыла, стекла, бумаги, являются наполнителями огнетушителей.

ul

Таблица 30.1. Применение солей угольной кислоты

Химическая формула и систематическое название Тривиальное название, природные минералы Область применения
Na2СO3
Карбонат натрия
Кальцинированная сода Производство моющих средств, стекла, красителей; целлюлозно-бумажная, текстильная, нефтехимическая промышленность
Na2СO3 10H2O
Декагидрат карбоната натрия
Кристаллическая сода — минерал
NaHCO3
Гидрокарбонат натрия
Питьевая сода Кулинария, дезинфекция полости рта, средство от изжоги. Пожаротушение. Безопасное мытьё посуды
СаСО3
Карбонат кальция
Мел — горная порода Побелка, производство стекла, резины
Кальцит — минерал Химическое производство, строительство, оптика, поделочный камень
Ракушечник — горная порода Строительный материал
Известняк — горная порода Облицовочный и архитектурно-строительный материал
Мрамор — горная порода Облицовочный и архитектурно-строительный материал
Жемчуг — драгоценный камень биологического происхождения, образуемый в раковинах некоторых моллюсков Ювелирные изделия
(СuOH)2CO3
Карбонат гидроксомеди(II)
Малахит — минерал Поделочный камень. Ранее — для добычи меди
MgСO3
Карбонат магния
Магнезит — минерал Производство огнеупорных материалов
CaMg(CO3)2
Двойной карбонат кальция и магния
Доломит — минерал Изготовление цемента, штукатурки, огнеупорных материалов, в стекольной промышленности, в сельском хозяйстве для раскисления почвы

Кремниевая кислота и её соли

Кремниевая кислота H2SiO3 является двухосновной и более слабой, чем угольная кислота. Её получают взаимодействием силикатов (Na2SiO3 или K2SiO3) с более сильными кислотами, например H2SO4, HCl:

Na subscript 2 SiO subscript 3 space plus space 2 HCl space equals space straight H subscript 2 SiO subscript 3 not stretchy downwards arrow plus space 2 NaCl;
2 straight H to the power of plus plus space SiO subscript 3 superscript 2 minus end superscript equals space straight H subscript 2 SiO subscript 3 not stretchy downwards arrow.

Кремниевая кислота при этом выделяется в виде студенистого осадка, состав которого часто выражают формулой nSiO2 · mH2O. В действительности кремниевая кислота имеет полимерную природу:

img

Уже при незначительном нагревании или длительном хранении кислота разлагается на оксид и воду:

straight H subscript 2 SiO subscript 3 space end subscript stack equals space with t on top straight Н subscript 2 straight О space plus space SiO subscript 2.

Образующийся оксид SiO2 имеет пористую структуру и большую площадь поверхности (до 1000 м2), что позволяет ему адсорбировать молекулы различных веществ, в том числе и воду. Именно благодаря адсорбционным свойствам оксид SiO2 под названием «силикагель» используется как осушитель воздуха в упаковках с электроникой и обувью, а под названием «Белый уголь» — как адсорбент в медицине (рис. 101).

img
Рис. 101. Силикагель

Соли кремниевой кислоты

Для кремниевой кислоты известны только средние соли — силикаты. Большинство из них плохо растворяются в воде. Растворимые соли силикат натрия и силикат калия называют «растворимые стёкла» и используют как «канцелярский клей». Получить силикаты можно сплавлением оксида кремния(IV) как кислотного оксида со щелочами, оксидами металлов, а также с карбонатами:

СаO space plus space SiO subscript 2 space stack equals space with t on top СаSiO subscript 3 semicolon
2 NaOН subscript left parenthesis тв right parenthesis end subscript space plus space SiO subscript 2 stack space equals with t on top space Na subscript 2 SiO subscript 3 space plus space straight Н subscript 2 straight О not stretchy upwards arrow semicolon
Na subscript 2 СO subscript 3 space plus space SiO subscript 2 stack space equals with t on top space Na subscript 2 SiO subscript 3 space plus space СO subscript 2 not stretchy upwards arrow.

Производство строительных материалов на основе силикатов и карбонатов

Природные силикаты и карбонаты служат основой для производства цемента, бетона, стекла.

Цемент получают спеканием известняка CaCO3 и глины, одна из составных частей которой — каолинит, включающий оксиды SiO2 и Al2O3.

ul

В процессе спекания смеси известняка СаСО3 и каолинита Al2[Si2O5](OH)4 образуется сложная смесь безводных солей — силикатов и алюминатов кальция. Напомним, что при смешивании такой тонко измельчённой смеси с водой происходит гидратация, образование кристаллогидратов, срастание отдельных частичек друг с другом (схватывание) и получение твёрдого прочного материала — цементного камня.

Бетон изготавливают из смеси песка, цемента и воды. Добавляя в такую смесь шлак, получают шлакобетон. Если свежеприготовленной смесью заливают металлический каркас, то при затвердевании получаются железобетонные конструкции. При использовании в качестве наполнителя газообразных веществ получают пенобетон.

Стекло применяют в строительной сфере (остекление окон, витражей, дверей, оранжерей), в оптической промышленности, медицине, машиностроении, приборостроении, современной архитектуре, электронике, быту. Как отмечено выше в параграфе, сырьём для производства стекла («варки стекла») являются карбонаты натрия и кальция, а также оксид кремния(IV),то есть кристаллическая сода, мел или известняк и кварцевый песок (Na2CO3, CaCO3, SiO2). Как уже отмечалось в § 41, в состав стекла входят оксиды натрия, кальция и кремния в мольном соотношении 1 : 1 : 6.

Для придания стеклу особых свойств в исходную смесь вводят добавки. Так, для его окрашивания используют различные оксиды: СuO придаёт голубой цвет, FeO — зелёный, СоО — от голубого до сине-фиолетового. Глушители уменьшают прозрачность стекла, делают его матовым. Наклеивание полимерных плёнок увеличивает прочность. Армирование металлической проволокой придаёт декоративные свойства и препятствует образованию больших осколков при растрескивании. Следует отметить возможность многократной переработки стекла.

Кремниевая и угольная кислоты — нестойкие вещества, разлагающиеся с образованием оксида и воды: кремниевая — при незначительном нагревании или длительном хранении, а угольная — сразу при образовании.

Карбонаты и гидрокарбонаты способны к взаимопревращениям.

Важнейшими строительными материалами на основе природных силикатов и карбонатов являются цемент, бетон и стекло.

Вопросы, задания, задачи

1. Выпишите характеристики, относящиеся:

  • а) к угольной кислоте;
  • б) к кремниевой кислоте:
  • 1) слабый электролит;
  • 2) термически устойчива;
  • 3) разлагается на оксид и воду;
  • 4) образуется при растворении оксида в воде;
  • 5) при разложении образует газообразный оксид;
  • 6) продукт её распада — силикагель;
  • 7) образует два ряда солей;
  • 8) её соли при добавлении кислоты «вскипают»;
  • 9) соли называют карбонатами и гидрокарбонатами;
  • 10) образуется при добавлении соляной кислоты к силикату;
  • 11) соли называют силикатами;
  • 12) один из атомов имеет степень окисления +4.

2. Запишите в молекулярной и ионной форме уравнения реакций, которые иллюстрируют химические свойства а) угольной и б) кремниевой кислот, названные в задании 1.

3. Заполните таблицу «Строительные материалы» (цемент, бетон, железобетон, стекло):

Строительный материал Сырьё для производства
   

4. Заполните таблицу «Применение карбонатов и гидрокарбонатов»

Химические формулы и названия Области применения
     

5. Составьте уравнения возможных реакций:

  • a) СаСО subscript 3 not stretchy rightwards arrow with t on top
  • б) straight K subscript 2 СO subscript 3 space plus space SiO subscript 2 not stretchy rightwards arrow with t on top
  • в) KНСO subscript 3 space plus space СO subscript 2 rightwards arrow
  • г) NаНСO subscript 3 space plus space СН subscript 3 СООН rightwards arrow
  • д) Na subscript 2 СO subscript 3 space end subscript plus space AgNO subscript 3 rightwards arrow
  • е) Мg left parenthesis HСO subscript 3 right parenthesis subscript 2 stack not stretchy rightwards arrow with t on top
  • ж) МgСО subscript 3 not stretchy rightwards arrow with t on top
  • з) MgO space plus space SiO subscript 2 not stretchy rightwards arrow with t on top
  • и) Ca left parenthesis НСO subscript 3 right parenthesis subscript 2 space plus space СO subscript 2 rightwards arrow
  • к) BaСO subscript 3 space plus space straight H subscript 2 straight O space plus space CO subscript 2 rightwards arrow
  • л) straight K subscript 2 СO subscript 3 space plus space СН subscript 3 СООН rightwards arrow
  • м) KHСO subscript 3 not stretchy rightwards arrow with t on top

6. Рассчитайте массу кальцинированной соды, известняка и кварцевого песка, необходимых для получения стекла массой 100 кг, допуская, что исходные вещества не содержат примесей.

7. Составьте уравнения реакций согласно схеме:

img

8. При длительном хранении растворов щелочей в стеклянной посуде в растворах появляется муть. Поясните, какие реакции являются причиной этого явления.

9. Предложите способы получения не менее восьми сложных веществ, имея в распоряжении силикат калия и гидрокарбонат кальция. Запишите уравнения реакций и список полученных веществ.

10. Определите объём углекислого газа (н. у.), который выделится из огнетушителя, содержащего серную кислоту и раствор объёмом 10 дм3 с массовой долей гидрокарбоната натрия 8 % (плотность раствора — 1,058 г/см3).

*Подготовьте сообщения:

  • 1. Как образуются сталактиты и сталагмиты;
  • 2. Производство стекла в Республике Беларусь.

*Самоконтроль

1. Угольная кислота образует соли:

  • а) силикаты;
  • б) карбиды;
  • в) карбонаты;
  • г) гидрокарбонаты.

2. Основным сырьём для производства стекла являются:

  • а) известняк;
  • б) глина;
  • в) кальцинированная сода;
  • г) кварцевый песок.

3. Соль состава Са(НСО3)2:

  • а) является кислой;
  • б) реагирует с углекислым газом в растворе;
  • в) термически неустойчива;
  • г) реагирует со щелочами.

4. Термически устойчивым веществом является:

  • а) SiO2;
  • б) Ca(НСO3)2;
  • в) H2SiO3;
  • г) H2СO3.

5. Не протекает реакция:

  • а) СаСО3 not stretchy rightwards arrow with t on top;
  • б) K2СO3 not stretchy rightwards arrow with t on top;
  • в) MgO + SiO2 not stretchy rightwards arrow with t on top;
  • г) Вa(НСO3)2 not stretchy rightwards arrow with t on top.