Axit Cacbonic là gì? Tính chất và ứng dụng của H2CO3?

1. Định nghĩa axit cacbonic là gì?

Axit cacbonic là một hợp chất vô cơ có công thức hóa học là H2CO3. Đôi khi, nó còn được gọi là dung dịch carbon dioxide trong nước, vì có chứa một lượng nhỏ H2CO3. Axit cacbonic tạo thành hai loại muối là carbonat và bicarbonat. 

Công thức hóa học của axit cacbonic là: H2C03

Khối lượng phân tử: 62,03 g/mol

Axit cacbonic không tồn tại ổn định trong dạng tinh thể, nhưng thay vào đó, nó tồn tại dưới dạng các ion trong dung dịch nước. Axit cacbonic có vai trò quan trọng trong các quá trình hóa học tự nhiên, như trong quá trình hình thành và giải phóng CO₂ trong nước khi khí carbonic dioxide tương tác với nước.

2. Trạng thái tự nhiên và tính chất vật lý của axit cacbonic:

Axit cacbonic (H₂CO₃) không tồn tại ở trạng thái tự nhiên trong điều kiện bình thường. Thay vào đó, nó thường tồn tại dưới dạng các ion trong dung dịch nước, do sự tương tác giữa khí carbon dioxide (CO₂) và nước (H₂O). Khi CO₂ tan trong nước, nó tạo thành axit cacbonic theo các phản ứng sau:

CO₂ + H₂O ⇌ H₂CO₃

Tính chất vật lý của axit cacbonic dựa chủ yếu trên tính chất của các ion trong dung dịch:

– Axit yếu: Axit cacbonic thuộc loại axit yếu, có khả năng tạo liên kết ion hydroxit (OH⁻) trong dung dịch.

– Phân ly ion: Axit cacbonic phân ly thành hai loại ion trong dung dịch: ion hydrogencarbonat (HCO₃⁻) và ion hydroxonium (H₃O⁺).

– Khả năng tạo liên kết: Axit cacbonic có khả năng tạo liên kết hidro với các phân tử nước và các phân tử khác trong dung dịch.

– Tính chất pH: Dung dịch axit cacbonic có tính chất axit, nhưng lại là một trong những axit yếu, do đó có nồng độ ion H⁺ thấp hơn so với các axit mạnh.

– Khả năng hình thành muối: Axit cacbonic có khả năng tạo muối với các cation, tạo thành các muối cacbonat (như muối canxi cacbonat trong đá vôi và vỏ sò).

– Khả năng phản ứng giữa axit và bazơ: Axit cacbonic có thể phản ứng với bazơ để tạo ra muối và nước, trong đó ion hydrogencarbonat (HCO₃⁻) thường tham gia.

Tóm lại, axit cacbonic không tồn tại ở dạng tinh thể hoặc trạng thái tự nhiên độc lập trong điều kiện bình thường. Tính chất vật lý của nó phụ thuộc chủ yếu vào tính chất của các ion tạo thành trong dung dịch nước.

3. Tính chất hóa học của axit cacbonic:

Tính chất hóa học của axit cacbonic (H₂CO₃) liên quan chủ yếu đến tính chất axit yếu của nó khi tương tác với các chất khác trong các phản ứng hóa học. Dưới đây là một số tính chất hóa học quan trọng của axit cacbonic:

– Phản ứng giữa axit cacbonic và bazơ:

Axit cacbonic có khả năng phản ứng với bazơ để tạo muối và nước. Phản ứng này thường là một phản ứng trung gian trong quá trình điều chỉnh pH trong hệ thống hóa học và sinh học.

Ví dụ: H₂CO₃ + NaOH → NaHCO₃ + H₂O

– Phản ứng giữa axit cacbonic và kim loại kiềm:

Axit cacbonic phản ứng với các kim loại kiềm như natri (Na) để tạo ra muối cacbonat và hidroxit kim loại.

Ví dụ: H₂CO₃ + 2 NaOH → Na₂CO₃ + 2 H₂O

– Phản ứng tạo muối axit cacbonic:

Axit cacbonic có khả năng tạo muối với các cation khác như canxi (Ca²⁺), magiê (Mg²⁺), kẽm (Zn²⁺),… để tạo thành các muối cacbonat.

Ví dụ: H₂CO₃ + Ca²⁺ → CaCO₃ + 2 H⁺

– Phản ứng giữa axit cacbonic và axit khác:

Axit cacbonic có thể tương tác với các axit khác để tạo ra các phản ứng tạo muối axit.

Ví dụ: H₂CO₃ + HNO₃ → H₂NCO₃ + H₂O

– Phản ứng giữa axit cacbonic và carbonat bazơ:

Axit cacbonic phản ứng với muối carbonat bazơ (như canxi cacbonat) trong dung dịch để tạo muối axit và giải phóng CO₂.

Ví dụ: H₂CO₃ + CaCO₃ → Ca(HCO₃)₂

Tóm lại, tính chất hóa học của axit cacbonic chủ yếu liên quan đến khả năng phản ứng axit-bazơ và các phản ứng tạo muối trong các môi trường hóa học khác nhau.

4. Điều chế axit cacbonic như thế nào?

Axit cacbonic (H₂CO₃) không thể được điều chế một cách trực tiếp trong điều kiện bình thường vì nó là một hợp chất không ổn định và dễ phân hủy. Thay vào đó, axit cacbonic thường hình thành trong dung dịch nước khi khí carbon dioxide (CO₂) tương tác với nước (H₂O), tạo ra một cân bằng hóa học:

CO₂ + H₂O ⇌ H₂CO₃

Dưới đây là quá trình tổng quát để điều chế axit cacbonic:

Tạo CO₂: Có nhiều cách để tạo ra khí CO₂. Một phương pháp phổ biến là thông qua phản ứng giữa axit và các muối cacbonat hoặc hydrocacbonat. Ví dụ, phản ứng giữa axit axetic (CH₃COOH) và muối natri cacbonat (Na₂CO₃) tạo ra CO₂:

CH₃COOH + Na₂CO₃ → CO₂ + H₂O + 2 NaCH₃COO

Hòa tan CO₂ trong nước: Khí CO₂ được hòa tan trong nước để tạo ra axit cacbonic:

CO₂ + H₂O ⇌ H₂CO₃

Cân bằng hóa học: Trong dung dịch, axit cacbonic có thể tồn tại dưới dạng cân bằng giữa các dạng phân ly, bao gồm ion hydrogencarbonat (HCO₃⁻) và ion hidroxit (OH⁻):

H₂CO₃ ⇌ HCO₃⁻ + H⁺

Quá trình này có thể thay đổi tùy thuộc vào điều kiện, chẳng hạn như nồng độ CO₂, nhiệt độ, và pH của dung dịch. Trong điều kiện cân bằng, khí CO₂ thường không có mặt một cách đáng kể trong dung dịch axit cacbonic, mà thay vào đó, các dạng phân ly của axit này được tạo thành.

5. Ứng dụng axit cacbonic trong tự nhiên và đời sống:

Axit cacbonic (H2CO3) là một hợp chất hóa học chứa cacbon, oxi và hydro. Mặc dù nó không phải là một phần quan trọng của tự nhiên và đời sống như một hợp chất tồn tại độc lập, nhưng axit cacbonic có vai trò quan trọng trong các quá trình sinh học, hóa học và môi trường. Dưới đây là một số ứng dụng của axit cacbonic trong tự nhiên và đời sống:

– Quá trình hô hấp: Axit cacbonic có vai trò quan trọng trong quá trình hô hấp của các hệ thống sống. Khi bạn hô hấp, CO2 được sản xuất trong các tế bào và sau đó được vận chuyển đến phổi. Tại đó, nó tạo thành axit cacbonic trong nước của máu. Quá trình này giúp duy trì cân bằng pH trong cơ thể.

– Điều chỉnh pH máu: Axit cacbonic và các muối liên quan có vai trò quan trọng trong việc điều chỉnh độ pH của máu. Hệ thống kiểm soát pH của cơ thể sẽ tạo ra axit cacbonic hoặc bicarbonate tùy theo nhu cầu để duy trì môi trường pH máu ổn định.

– Giảm nồng độ CO2 trong nước biển: Axit cacbonic có vai trò trong hiện tượng giảm pH của nước biển khi hấp thụ CO2 từ không khí, tạo ra hiện tượng axit hóa động biển. Hiện tượng này đang gây ảnh hưởng xấu đến hệ sinh thái biển, như ảnh hưởng đến sự phát triển của cá và các loài sống khác.

– Quá trình định hình đá vôi: Axit cacbonic có vai trò quan trọng trong việc định hình các cấu trúc đá vôi và đá triển khai trong thiên nhiên. Khi CO2 tan trong nước mưa, nó tạo ra axit cacbonic, làm cho nước mưa có khả năng tác động lên đá vôi và tạo ra quá trình khai thác tự nhiên gọi là tiêu tán đá vôi.

– Sản xuất nước giải khát có ga: Trong ngành thực phẩm, axit cacbonic thường được sử dụng để tạo ra nước giải khát có ga. Khi CO2 được hòa tan trong nước, nó tạo ra axit cacbonic, làm cho nước có vị chua nhẹ và tạo ra bọt khí, tạo ra cảm giác sảng khoái khi uống.

– Sử dụng trong các phản ứng hóa học: Axit cacbonic cũng có thể được sử dụng trong các phản ứng hóa học khác nhau, như trong quá trình trao đổi ion trong hóa học vô cơ hoặc là một chất trung gian trong các phản ứng hóa học tổng hợp.

6. Bài tập vận dụng:

Bài 1 trang 91 SGK Hóa học 9:Hãy lấy ví dụ chứng tỏ rằng H2CO3 là axit yếu hơn HCl và là axit không bền.

° Lời giải bài 1 trang 91 SGK Hóa học 9:

– Axit HCl tác dụng với muối cacbonat tạo thành axit cacbonic.

2HCl + Na2CO3 → 2NaCl + H2CO3

– Axit cacbonic H2CO3 là axit không bền, bị phân hủy ngay cho CO2 và H2O nên phương trình được viết là:

2HCl + Na2CO3 → 2NaCl + CO2↑ + H2O

Bài 2 trang 91 SGK Hóa học 9: Dựa vào tính chất hóa học của muối cacbonat, hãy nêu tính chất của muối MgCO3 và viết các phương trình hóa học minh họa.

° Lời giải bài 2 trang 91 SGK Hóa học 9:

¤ Magie cacbonat MgCO3 có tính chất của muối cacbonat.

– Tác dụng với dung dịch axit:

MgCO3 + H2SO4 → MgSO4 + CO2↑ + H2O.

– MgCO3 không tan trong nước, không tác dụng với dung dịch muối và dung dịch bazơ.

– Dễ bị phân hủy:

MgCO3 

 MgO + CO2.

Bài 3 trang 91 SGK Hóa học 9: Viết các phương trình hóa học biểu diễn chuyển hóa sau:

– Các phương trình phản ứng hóa học:

(1): C + O2 → CO2↑

(2): CO2 + Ca(OH)2 → CaCO3↓trắng + H2O

(3): CaCO3 + 2HCl → CaCl2 + CO2↑ + H2O

Bài 4 trang 91 SGK Hóa học 9: Hãy cho biết trong các cặp chất sau đây, cặp nào có thể tác dụng với nhau.

a) H2SO4 và KHCO3

b) K2CO3 và NaCl

c) MgCO3 và HCl

d) CaCl2 và Na2CO3

e) Ba(OH)2 và K2CO3

– Những cặp chất tác dụng với nhau:

a) H2SO4 + 2KHCO3 → K2SO4 + 2CO2 ↑ + 2H2O

c) MgCO3 + 2HCl → MgCl2 + CO2 ↑ + H2O

d) CaCl2 + Na2CO3 → CaCO3 ↓ + 2NaCl

e) Ba(OH)2 + K2CO3 → BaCO3 ↓ + 2KOH

– Cặp chất không tác dụng với nhau: b). K2CO3 và NaCl

* Lưu ý: Điều kiện của phản ứng trao đổi trong dung dịch chỉ xảy ra nếu sản phẩm có chất kết tủa (không tan) hoặc chất chất khí tạo thành.

Bài 5 trang 91 SGK Hóa học 9: Hãy tính thể tích khí CO2 (đktc) tạo thành để dập tắt đám cháy nếu trong bình chữa cháy có dung dịch chứa 980g H2SO4 tác dụng hết với dung dịch NaHCO3.

– Theo bài ra, ta có: nH2SO4 = 980/98 = 10(mol).

– Phương trình hóa học của phản ứng:

2NaHCO3 + H2SO4 → Na2SO4 + 2CO2↑ + 2H2O

– Theo phương trình phản ứng: nCO2 = 2.nH2SO4 = 10.2 = 20 (mol).

– Thể tích khí cacbonic tạo thành (đktc), từ công thức:

n=V/22,4 ⇒ VCO2 = n.22,4 = 20.22,4 = 448 (lít).