§ 42. Угольная и кремниевая кислоты, их соли

Угольная кислота и её соли

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:

;

.

В обычных условиях она распадается на углекислый газ и воду:

.

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:

;

;

;

.

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:

.

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

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

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

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

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:

;

.

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

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

.

Образующийся оксид SiO₂ имеет пористую структуру и большую площадь поверхности (до 1000 м²/г), 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).

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:

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.

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.

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):

4. Заполните таблицу «Применение карбонатов и гидрокарбонатов»

5. Составьте уравнения возможных реакций:

• a) 
• б) 
• в) 
• г) 
• д) 
• е) 
• ж) 
• з) 
• и) 
• к) 
• л) 
• м) 

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:

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 ;
• б) K₂СO₃ ;
• в) MgO + SiO₂ ;
• г) Вa(НСO₃)₂ .