Свойства, получение и структурная формула угольной кислоты

«Когда-то, где-то на землю упал луч солнца, но он упал не на бесплодную почву, он упал на зеленую былинку пшеничного ростка, или, лучше сказать, на хлорофилловое зерно. Ударяясь о него, он потух, перестал быть светом, но не исчез. Он только затратился на внутреннюю работу, он рассек, разорвал связь между частицами углерода и кислорода, соединенными в углекислоте. Освобожденный углерод, соединяясь с водой, образовал крахмал».

Так описывает удивительные превращения, происходящие в зеленом листе под влиянием света, великий русский ученый Климент Аркадьевич Тимирязев.

Солнечные лучи поглощаются мельчайшими зелеными тельцами — хлорофилловыми зернами, которые содержатся в листе. Благодаря лучу солнца в листе, как в маленькой химической лаборатории, происходит превращение одних веществ в другие.

Заглянем в эту лабораторию.

В воздухе кроме азота и кислорода в небольшом количестве содержится еще и углекислый газ.

Газ этот, который получается при горении дерева, угля, выделяется также при дыхании человека и животных. Очень чистый, приготовленный, например, сжиганием сахара, уголь представляет собой простое вещество. Он состоит только из одной составной части — углерода. Углерод потому отличают по названию от угля, что углерод может составлять еще два простых вещества — алмаз и графит. Оказывается, и алмаз, и графит, и уголь имеют один и тот же состав, но совершенно различный внешний вид и свойства. Разница между ними происходит от различного расположения в них атомов углерода.

Так вот, если сжигать уголь (или графит, или алмаз), то получится углекислый газ, так же как при прокаливании металлов образуется окалина.

формула углекислого газа

углекислый газ превращается постепенно в сахаристые вещества

Формула углекислого газа — С02. (Здесь С — углерод, от латинского слова «карбонеум»—«carboneum».)

Этот-то углекислый газ и поглощается растениями.

Соединяясь с водой и отделяя от себя кислород, углекислый газ превращается постепенно в сахаристые вещества. Сначала это глюкоза, а потом и более сложные сахара, вплоть до крахмала.

Процесс улавливания зелеными растениями углекислого газа и превращения его в органические соединения называется фотосинтезом.

Фотосинтез — важнейшая химическая реакция, происходящая в природе. Под влиянием солнечного луча такие несложные вещества, как углекислый газ и вода, превращаются в крахмал и сахар. Нигде больше, кроме растений, подобные превращения не происходят.

Таким образом, растения, накапливая огромные массы органических веществ, «приготовляют» пищу для человека и животных. Превращения, легко происходящие в растениях, оказалось очень трудным повторить в лаборатории. Однако удалось сделать очень многое. Хотя полного превращения углекислого газа и воды в крахмал химики еще не произвели, однако многие искусственные сахаристые вещества уже получают. Первое искусственное сахаристое вещество приготовил знаменитый русский химик А. М. Бутлеров.

Процесс усвоения углекислого газа

растения могут брать углекислый газ также из почвы

Процесс усвоения углекислого газа зеленым листом занимает умы ученых давно. Считалось, что растения могут поглощать углекислый газ только листьями. Но в последнее время советским ученым удалось установить, что растения могут брать углекислый газ также из почвы, — корнями.

Если вам доведется побывать в крупных наших теплицах, где выращивают огурцы, помидоры и другие овощи, обратите внимание на особые приборы, которые стоят по бокам, а иногда в центре теплиц. Вам расскажут, что это аппараты, вырабатывающие углекислый газ для «воздушного удобрения» растений. В весенние солнечные дни растения, высаженные в теплицах очень густо, поглощают столько углекислого газа, что его начинает не хватать в атмосфере теплицы. Чтобы фотосинтез шел нормально, растениям с помощью аппаратов, вырабатывающих углекислый газ, дают углекислую «подкормку». Получая регулярно дополнительные порции углекислого газа, потребные для созидания органического вещества, растения развиваются лучше, дают более ранний и более высокий урожай. Но если растения поглощают углекислый газ, то существует немало процессов, при которых он выделяется. Прежде всего это горение. Горение дров, угля, кокса — всё это, как уже сказано, приводит к образованию углекислого газа. Наконец, большое количество углекислого газа выделяется живыми организмами при дыхании. Человек за сутки выдыхает около килограмма углекислого газа, а при усиленной физической работе — до полутора килограммов.

Углекислый газ выбрасывается различными подземными источниками. Такие источники действуют, например, у нас на Кавказе, в Кисловодске и в других местах. Целебные минеральные воды содержат большое количество углекислого газа.

выделение углекислого газа

в природе непрерывно и поглощается и выделяется углекислый газ

Таким образом, в природе непрерывно и поглощается и выделяется углекислый газ. При этом количество его в атмосфере заметно не меняется. Значит, количество выделившегося углекислого газа равно количеству поглощенного.

Всегда ли так обстояло дело?

По-видимому, нет. Ученые установили, что на первых стадиях развития земли, когда жизни на ней еще не было, или она только зарождалась, — атмосфера состояла из азота и большого количества углекислого газа. В таком виде атмосфера «молодой» земли напоминала атмосферу одной из планет солнечной системы — Венеры. Как только на земле стала развиваться жизнь,— углекислый газ начал исчезать в атмосфере и место его занимал образовавшийся кислород.

Откуда пошло название «углекислый газ»? Ведь иногда этот газ даже неправильно называют углекислотою. Действительно, углекислый газ — это не кислота. Но, соединяясь с водою, углекислый газ дает кислоту:

Н2С03

угольная кислота. 

Поглощение и выделение углекислого газа в природе.

Итак, угольная кислота образуется из воды и углекислого газа так же, как серная — из серного ангидрида и воды. Но как не похожи друг на друга две эти, казалось бы, одинаковым способом образовавшиеся кислоты!

Насыщенную угольной кислотой воду вы очень часто пьете. В то же время никому в голову не придет пить воду, насыщенную серной, соляной или азотной кислотой.

Дело в том, что стакан газированной воды как раз и представляет собою насыщенный раствор угольной кислоты.

Угольная кислота

может изменять цвет некоторых растительных соков

Угольная кислота — очень слабая кислота. Она, правда, обладает слегка кисловатым вкусом и может изменять цвет некоторых растительных соков, но все эти свойства выражены в ней очень слабо.

Кроме того, эта кислота очень неустойчива — ее нельзя перегонять, как уксусную, азотную, или сгущать, как серную. Она мгновенно разлагается на воду и углекислый газ.

Тем не менее угольная кислота способна давать соли, и соли эти очень широко распространены в природе. Это мел, мрамор, известняк и искусственные продукты —сода, поташ и прочее. Каждая из этих солей имеет очень большое значение, и их легко отличить от солей других кислот.

Для этого достаточно капнуть на кусочек такой соли любой кислотой, например серной или соляной. Начнется бурное вспенивание, появление пузырьков какого-то газа. Этот газ — углекислый. Под действием серной или соляной кислоты угольная кислота ушла из соли.

Не напоминает ли описанный выше способ образования угольной кислоты какое-нибудь из уже известных нам превращений веществ?

Вспомним, как добываются различные кислоты. Соляную кислоту получают, обливая поваренную соль серной кислотой, фосфорную — действием той же серной кислоты на фосфорит, азотную — путем смешения серной кислоты с селитрой. Во всех этих случаях одна кислота — серная,— действуя на соль, дает различные кислоты. Серная кислота вытесняет азотную из селитры, фосфорную — из фосфоритов и т. д.

окись кальция негашеная известь

выделится углекислый газ и останется окись кальция, которая при соединении с водой даст щелочь

То же самое происходит и при действии серной кислоты на мел: из мела вытесняется угольная кислота.

Значит, мел, мрамор, известняк — это всё соли угольной кислоты. Их можно получить и нейтрализуя угольную кислоту щелочью.

Какая это щелочь?

С одной щелочью — едким натром — мы уже знакомы. Познакомимся с другой — гидратом окиси кальция. Ее, эту щелочь, можно получить прямо из известняка. Если известняк сильно нагреть, то из него выделится углекислый газ и останется окись кальция, которая при соединении с водой даст щелочь.

Полученная таким способом окись кальция есть негашеная известь, знакомая всем. Без извести не обходится ни одна стройка. Известь — составная часть раствора, который идет для скрепления кирпичей при кладке стен и для штукатурки.

Познакомимся несколько подробнее с производством этого важнейшего строительного материала.

Для получения извести известняк, или мел, обычно пережигают в больших печах. Истолченный в куски материал накаливают до температуры 1000—1200°. Получается негашеная известь — «кипелка».

Названа она так потому, что под действием воды начинает бурлить, пениться и кипеть. Это и есть процесс гашения извести. После того как кипение кончится, известь превращается в порошок, называемый «пушонкой».

«Пушонка» представляет собой ту щелочь—гидрат окиси кальция, о которой говорилось выше.

Гидрат окиси кальция

Из едкой извести и углекислого газа можно снова получить известняк

Из этой щелочи, действуя на нее электрическим током, можно выделить металл кальций. Он во многом напоминает натрий. Но щелочь, которую дает натрий — едкий натр, — отличается от гидрата окиси кальция.

Гидрат окиси кальция не такая сильная щелочь, как едкий натр. Тем не менее гидратом окиси кальция обрабатывают на кожевенных заводах шкуры, чтобы удалить с них шерсть или щетину.

Из едкой извести и углекислого газа можно снова получить известняк. Для этого нужно растворить в воде немного извести, а затем пропускать через нее углекислый газ. Прозрачный раствор извести очень быстро замутится. Образовавшаяся муть и есть известняк, который образовался в результате соединения углекислого газа с известью.

Интересно, что такая химическая реакция происходит в кирпичной стене, выложенной на известковом растворе. После того как кирпичи уложены, известь, скрепляющая кладку, постепенно высыхая, начинает поглощать углекислый газ. Образующийся известняк вместе с частичками песка дает крепкую, монолитную массу, скрепляющую кирпичи или камни.

Посмотрите на старинную кирпичную постройку. Возведенная много веков назад на известковом растворе, она стоит незыблемо. Иногда под действием времени выветривается кирпич, с которого слезла штукатурка, но белые швы из окаменевшего известкового раствора остаются прочными.

В наши дни на кирпичной кладке широко применяют цементный раствор, обладающий еще большей прочностью и долговечностью, чем известковый. Но без извести на стройке всё равно не обойтись, — она находит самое разнообразное применение.