Гидрокарбонат магния: физические и химические свойства

Угольная кислота, представляющая собой водный раствор углекислого газа, может взаимодействовать с основными и амфотерными окислами, аммиаком, со щелочами. В результате реакции получаются средние соли - карбонаты, а при условии, что карбонатная кислота взята в избытке – гидрокарбонаты. В статье мы познакомимся с физическими и химическими свойствами гидрокарбоната магния, а также с особенностями его распространения в природе.

Качественная реакция на гидрокарбонат-ион

Как средние соли, так и кислые, угольной кислоты взаимодействуют с кислотами. В результате реакции происходит выделение углекислого газа. Его присутствие можно обнаружить, пропуская собранный газ через раствор известковой воды. Наблюдается помутнение вследствие выпадения нерастворимого осадка карбоната кальция. Реакция, иллюстрирует, как гидрокарбонат магния, содержащий ион HCO₃^-, вступает в реакцию.

Взаимодействие с солями и щелочами

Как происходят реакции обмена, между растворами двух солей, образованных различными по силе кислотами, например, между хлоридом бария и кислой солью магния? Она идет с образованием нерастворимой соли - угольнокислого бария. Такие процессы называются реакциями ионного обмена. Они всегда заканчиваются образованием осадка, газа или мало диссоциирующего продукта – воды. Реакция щелочи гидроксида натрия и гидрокарбоната магния приводит к образованию средней соли карбоната магния и воды. Особенностью термического разложения карбонатов аммония является то, что кроме появления кислых солей, происходит выделение газообразного аммиака. Соли карбонатной кислоты при сильном нагревании могут взаимодействовать с амфотерными оксидами, такими как оксид цинка или алюминия. Реакция идет с образованием солей – алюминатов или цинкатов магния. Окислы, образованные неметаллическими элементами, также способны реагировать с гидрокарбонатом магния. В продуктах реакции обнаруживается новая соль, углекислый газ и вода.

Широко распространенные в земной коре минералы – известняк, мел, мрамор, длительное время взаимодействуют с диоксидом углерода, растворенным в воде. В результате образуются кислые соли – гидрокарбонаты магния и кальция. При изменении условий внешней среды, например, при повышении температуры, происходят обратные реакции. Средние соли, кристаллизуясь из воды с высокой концентрацией бикарбонатов, часто образуют в известковых пещерах сосульки из карбонатов – сталактиты, а также наросты в виде башен – сталагмиты.

Жесткость воды

Вода взаимодействует с солями, содержащимися в почве, например, с гидрокарбонатом магния, формула которого Mg(HCO₃)₂. Она растворяет их, а сама становится жесткой. Чем больше примесей, тем хуже в такой воде развариваются продукты, резко ухудшаются их вкус и пищевая ценность. Такая вода мало пригодна для мытья волос и стирки белья. Особенно опасна жесткая вода для использования в паровых установках, так как во время кипения гидрокарбонаты кальция и магния, растворенные в ней, выпадают в осадок. Он образует слой накипи, плохо проводящий тепло. Это чревато такими негативными последствиями, как перерасход топлива, а также перегревание котлов, приводящее к их износу и авариям.

Магниевая и кальциевая жесткость

Если в водном растворе наряду с анионами HCO₃^- присутствуют ионы кальция, то они обуславливают кальциевую жесткость, если катионы магния – магниевую. Их концентрация в воде носит название общей жесткости. При длительном кипячении гидрокарбонаты превращаются в плохо растворимые карбонаты, выпадающие в виде осадка. При этом общая жесткость воды уменьшается на показатель карбонатной или временной жесткости. Катионы кальция образуют карбонаты – средние соли, а ионы магния входят в состав гидроксида магния или основной соли – гидроксид карбоната магния. Особенно, высокая жесткость присуща воде морей и океанов. Например, в Черном море магниевая жесткость составляет 53,5 мг-экв/л, а в Тихом океане – 108 мг-экв/л. Наряду с известняком в земной коре часто встречается магнезит – минерал, содержащий карбонат и гидрокарбонат натрия и магний.

Способы умягчения воды

Перед использованием воды, общая жесткость которой превышает 7 мг-экв/л, ее следует освободить от избытка солей – смягчить. Например, в нее можно добавить гидроксид кальция – гашеную известь. Если же одновременно с ней вносить и соду, то можно избавиться и от постоянной (некарбонатной) жесткости. Применяют и более удобные приемы, не требующие нагревания и контакта с агрессивным веществом – щелочью Ca(OH)₂. К ним можно отнести использование катионитов.

Принцип действия катионита

Алюмосиликаты и синтетические ионообменные смолы – это катиониты. Они содержат в своем составе подвижные ионы натрия. Пропуская воду через фильтры со слоем, на котором расположен носитель – катионит, частицы натрия будут меняться на катионы кальция и магния. Последние связываются анионами катионита и прочно в нем удерживаются. Если в воде присутствует концентрация ионов Ca²⁺ и Mg²⁺, то она будет жесткой. Чтобы восстановить активность ионообменника, вещества помещают в раствор поваренной соли, при этом происходит обратная реакция – натриевые ионы замещают катионы магния и кальция, адсорбированные на катионите. Восстановленный ионообменник вновь готов для процесса умягчения жесткой воды.

Электролитическая диссоциация

Большинство средних и кислых солей в водных растворах расщепляется на ионы, являясь проводником второго рода. То есть вещество подвергается электролитической диссоциации и его раствор способен проводить электрический ток. Диссоциация гидрокарбоната магния приводит к тому, что в растворе присутствуют катионы магния и отрицательно заряженные сложные ионы остатка угольной кислоты. Их направленное движение к разноименно заряженным электродам и обуславливает появление электрического тока.

Гидролиз

Реакции обмена между солями и водой, приводящие к появлению слабого электролита – это гидролиз. Он имеет большое значение не только в неорганической природе, но также является основой процессов обмена белков, углеводов и жиров в живых организмах. Гидрокарбонат калия, магния, натрия и других активных металлов, образованный слабой угольной кислотой и сильным основанием, в водном растворе полностью гидролизуется. При добавлении к нему бесцветного фенолфталеина индикатор окрашивается в малиновый цвет. Это указывает на щелочной характер среды, вследствие накопления избыточной концентрации гидроксид-ионов.

Фиолетовый лакмус в водном растворе кислой соли угольной кислоты становится синим. Избыток гидроксильных частиц в данном растворе можно обнаружить и с помощью еще одного индикатора – метилового оранжевого, меняющего свою окраску на желтую.

Круговорот солей угольной кислоты в природе

Способность гидрокарбонатов растворяться в воде лежит в основе постоянного их перемещения в неживой и живой природе. Подземные воды, насыщенные углекислотой, просачиваются сквозь слои почвы, в состав которых входят магнезит и известняк. Вода с гидрокарбонатом и магнием попадает в почвенный раствор, затем выносится в реки и моря. Оттуда кислые соли поступают в организмы животных и идут на постройку их внешнего (раковины, хитин) или внутреннего скелета. В некоторых случаях, под действием высокой температуры гейзерных или соляных источников, гидрокарбонаты разлагаются, выделяя диоксид углерода и превращаясь в залежи полезных ископаемых: мела, известняка, мрамора.

В статье мы изучили особенности физических и химических свойств гидрокарбоната магния и выяснили пути его образования в природе.