Молекула угольной кислоты (H2CO3)

 Теория:

Молекула угольной кислоты — это химическое соединение которая имеет формулу H₂CO₃.

Это кислота, которая образуется, когда углекислый газ (CO₂) растворяется в воде (H₂O).

Очень нестабильная молекула. Она существует только в растворе и сразу же распадается обратно на CO₂ и H₂O, если условия меняются (например, падает давление).

Состоит из 2 атомов водорода, 1 атома углерода и 3 атомов кислорода.

Строение молекулы угольной кислоты

Центральный атом: В центре молекулы находится атом углерода (C).

Связи с кислородом: Атом углерода связан с тремя атомами кислорода (O).

С одним атомом кислорода углерод образует двойную связь (C = O).

С двумя другими атомами кислорода углерод образует одинарные связи (C — O).

Гидроксильные группы: К двум атомам кислорода, которые связаны с углеродом одинарными связями, присоединено по одному атому водорода (H). Таким образом, в молекуле угольной кислоты есть две гидроксильные группы (-OH).

Центральный атом: В центре молекулы находится атом углерода (C).

Связи с кислородом: Атом углерода связан с тремя атомами кислорода (O).

С одним атомом кислорода углерод образует двойную связь (C = O).

С двумя другими атомами кислорода углерод образует одинарные связи (C — O).

Гидроксильные группы: К двум атомам кислорода, которые связаны с углеродом одинарными связями, присоединено по одному атому водорода (H).

Таким образом, в молекуле угольной кислоты есть две гидроксильные группы (-OH).

Геометрия молекулы: Молекула угольной кислоты имеет плоское строение. Атом углерода находится в состоянии sp²-гибридизации, что характерно для плоских молекул с углами связи около 120°.

Состав

Молекула угольной кислоты имеет химическую формулу H₂CO₃.

Это очень интересная и важная молекула, но с одной ключевой особенностью: она крайне нестабильна в свободном виде.

Вот что важно знать о молекуле угольной кислоты:

Состав:

Одна молекула H₂CO₃ состоит из:

1. Двух атомов водорода (H)
2. Одного атома углерода (C)
3. Трех атомов кислорода (O)

Образование и нестабильность:

Угольная кислота образуется при растворении углекислого газа (CO₂) в воде (H₂O) по обратимой реакции:

CO₂ + H₂O ⇄ H₂CO₃

Большая часть угольной кислоты в растворе быстро распадается обратно на углекислый газ и воду.

Именно поэтому, когда вы открываете бутылку газированной воды, газ выходит, потому что давление падает, и равновесие смещается в сторону распада H₂CO₃.

В чистом виде H₂CO₃ удалось получить лишь в очень специфических условиях (например, при низких температурах в газовой фазе), но она моментально разлагается.

Структура

Молекула угольной кислоты имеет плоское строение.

Атом углерода связан с одним атомом кислорода двойной связью (C = O) и с двумя другими атомами кислорода одинарными связями (C — O).

К этим двум атомам кислорода, связанным одинарной связью с углеродом, присоединены атомы водорода (C — O — H).

Таким образом, в структуре есть две гидроксильные группы (-OH).

Часто ее изображают как O = C(OH)₂.

Молекулярная масса

1. Атомная масса водорода (H) ≈ 1.008 а.е.м.
2. Атомная масса углерода (C) ≈ 12.011 а.е.м.
3. Атомная масса кислорода (O) ≈ 15.999 а.е.м.

Молекулярная масса H₂CO₃ = (2 × 1.008) + 12.011 + (3 × 15.999) = 2.016 + 12.011 + 47.997 = 62.024 а.е.м.

Молярная масса H₂CO₃ ≈ 62.02 г/моль.

Свойства в растворе

Угольная кислота является слабой двухосновной кислотой. Это означает, что она может отдавать два протона (иона H⁺), но делает это в две стадии и очень неохотно.

Она образует два типа солей:

Карбонаты (CO₃^2-): Например, карбонат натрия (Na₂CO₃) или карбонат кальция (CaCO₃, основной компонент мела и известняка).

Гидрокарбонаты (HCO₃^—): Например, гидрокарбонат натрия (NaHCO₃, пищевая сода).

Значение

Газированные напитки: Именно угольная кислота придает газированным напиткам их характерный кисловатый вкус.

Биологические системы: Угольная кислота и её соли (гидрокарбонаты) играют критически важную роль в буферных системах крови, помогая поддерживать стабильный уровень pH в организме.

Природные процессы: Она участвует в формировании карстовых пещер (растворение известняка), выветривании горных пород и круговороте углерода в природе.

Вывод

Молекула угольной кислоты сама по себе недолговечна, она является ключевым промежуточным звеном во многих важных химических и биологических процессах.

 Пример решения, задача:

Задача № 1.

Дано: Какова масса 0.15 моль угольной кислоты (H₂CO₃)?

Решение: Масса (m) = Количество вещества (n) × Молярная масса (M)
m(H₂CO₃) = 0.15 моль × 62.03 г/моль = 9.3045 г.

Ответ: 9.3045 г.

Задача № 2.

Дано: Сколько моль угольной кислоты (H₂CO₃) содержится в 31.015 граммах этого вещества?

Решение: Количество вещества (n) = Масса (m) / Молярная масса (M)
n(H₂CO₃) = 31.015 г/62.03 г/моль = 0.5 моль.

Ответ: 0.5 моль.

Задача № 3.

Рассчитайте объем и количество молекул 20 граммах угольной кислоты.

Для этого нам понадобятся:

Молярная масса угольной кислоты (M): которая равна 62.03 г/моль.

Число Авогадро (Nₐ):

Nₐ ≈ 6.022×10²³ молекул/моль.

Рассчитаем количество моль H₂CO₃ в 20 граммах.

Количество моль (n) = Масса (m) / Молярная масса (M)
n(H₂CO₃) = 20 г / 62.03 г/моль ≈ 0.3224 моль.

Рассчитаем количество молекул

Количество молекул = Количество моль (n) × Число Авогадро (N_A)

Количество молекул = 0.3224 моль × (6.022 × 10²³ молекул/моль)

Количество молекул ≈ 1.942 × 10²³ молекул.

Ответ: 1.942 × 10²³ молекул.

Часто задаваемые вопросы:

Какая формула у угольной кислоты?

Это слабая неорганическая кислота, которая имеет химическую формулу: (H₂CO₃).

Из каких атомов состоит угольная кислота?

Представляет собой соединение элементов водорода, углерода и кислорода.

Где два атома водорода (Н), один атом углерода (С) и три атома кислорода (О).