Carbonat

Carbonat

Model d'ion de carbonat, CO₃²⁻.

Els carbonat són les sals del àcit carbónico o éster en el grup R-O-C(=O)-O-R'. Les sals tenen en comuna el anión CO₃^2- i es deriven del àcit carbónico H₂CO₃. Segons el pH (l'acidea de la dissolució) estan en equilibri químic en el bicarbonato i el diòxit de carbono. La majoria dels carbonat, a banda dels carbonat dels metals alcalinos, són poc solubles en aigua. Per esta característica són importants en geoquímica i formen part de molts minerals i roques. El carbonat més abundant és el carbonat càlcic (CaCO₃), que es troba en diferents formes minerals (calcita, aragonito), formant roques sedimentarias (calcàreas, margas) o metamòrfiques (marbre) i és a sovint el ciment natural d'algunes areniscas. Substituint una part del calcio per magnesi s'obté la dolomita CaMg(CO₃)₂, que rep el seu nom pel geólogo francés Déodat Gratet de Dolomieu. Molts carbonat són inestables a altes temperatures i perden diòxit de carbono mentres es transformen en òxits.

Descripció

Els carbonat en la naturalea són formats a partir de l'àcit carbónico en solució acuosa derivat de la dissolució del diòxit de carbono en aigua i en la que una chicoteta fracció forma àcit carbónico segons la reacció:

CO₂ + H₂O ↔ H₂CO₃

Esta reacció és molt llenta i per això part del CO₂ dissolt en aigua no està en forma d'àcit carbónico. L'àcit carbónico es troba en equilibri en el anión bicarbonato i el anión carbonat segons les següents equacions:

H₂CO₃ + H₂O ↔ HCO₃^- + H₃O⁺ (K₁ = 2· 10⁻⁴)

i

HCO₃^- + H₂O ↔ CO₃^2- (K₂ = 4,8· 10⁻¹¹)

Durant molts anys es va pensar que en el ion carbonat únicament dos oxigen duyen la càrrega negativa. Els estudis cristalográficos de la calcita realisats per W. L. Bragg per mig de rajos-X varen revelar que els tres enllaços C-O eren idèntics. Esta observació requeria una nova estructura i no va ser fins al desenroll de la teoria de resonància que en 1931 es va propondre una nova estructura en la que cada oxigen compartia 2/3 de la càrrega negativa i en la que els enllaços eren parcials, és dir a mig camí entre simples i dobles:

Erro al crear miniatura:

Resonància del ion carbonat

D'esta manera el ion carbonat té geometria planar en una llongitut d'enllaç C-O d'1,29 Å, compresa entre l'enllaç senzill (1,34 Å)i el doble (1,20 Å). Cada enllaç C-O està format per un enllaç senzill σ i una fracció de 2/3 d'un enllaç π. El ion carbonat és un dels més senzills dels ions oxocarbono.

Aplicacions

Els carbonat s'apliquen en multitut de camps. Els minerals com la calcita i la dolomita són importants en la fabricació de ciment i pedra de construcció. A sovint la seua utilisació va lligada al compost concret com l'obtenció de calç viva (CaO) del carbonat càlcic. Atres minerals carbonat constituïxen menas de metals: whiterita de bari; estroncianita d'estronci; siderita de ferro; rodocrosita de manganeso; smithsonita de zinc, i cerusita de plom.

Un dels carbonat més importants industrialmente és el carbonat sòdic. En la naturalea es troba en alguns estanys salines, per eixemple, en Egipte, encara que la gran majoria s'obté a partir de la calç en el procés Solvay. És un intermig en l'obtenció de productes tan dispars com el sabó, el percarbonato sòdic utilisat com blanqueante, el vidre, la moixa (NaOH) etc. Les cendres de fusta també es componen en gran mida de carbonat. Estos han donat inclús el nom a un element, el potassi (K) de l'anglés "pot ash = cendra baix de la caldera" ya que s'obtenia habitualment d'esta font. Pel seu caràcter com sals d'un àcit dèbil els carbonat s'utilisen també com bases barates. En esta aplicació es llibera diòxit de carbono i en dissolució es queda la sal formada pel metal que estava unit al carbonat i el restant de l'àcit neutralisat:

MCO₃ + 2HX → H₂O + CO₂ + MX₂

A on M és un metal, com el calcio o magnesi i X el anión d'un àcit. D'esta manera el carbonat càlcic en aigua lliberaria anhídrit carbónico i hidròxit càlcic donant lloc a solucions bàsiques segons els següents equilibris químics:

(1) CaCO₃ + H₂O → HCO₃^- + Ca(OH)⁺

(2) HCO₃^- + H₂O+ Ca(OH)⁺ → H₂CO₃ + Ca(OH)₂ i l'àcit carbónico en aigua es descompon lliberant diòxit de carbono segons:

(3) H₂CO₃ → H₂O + CO₂

Esta reacció és l'empleada en la detecció de carbonat per la seua efervescència característica en la que es llibera aigua i anhídrit carbónico. Existixen diversos métodos de quantificació dels carbonat presents en una mostra, per mig de la quantificació del CO₂ després. Alguns inclouen el pas del CO₂ després per una solució acuosa d'hidròxit de bari, i la quantificació del carbonat de bari precipitat, mentres que uns atres com la calcimetría "de Bernard" consistixen en la detecció volumètrica del diòxit de carbono.

Agregat de maclas pseudohexagonals d'aragonito d'uns 4 cm. El aragonito és un mineral de carbonat càlcic en estructura cristalina ortorrómbica.

El carbonat càlcic forma part de la formulació de les pastes dentals.

Minerals

Existixen uns 80 minerals carbonat, la majoria rars. Aixina i tot, mentres els nitrat i els borat són minerals escassos en la naturalea els carbonat més simples són prou abundants. Formen part de la composició química de numeroses roques sent el component essencial de calcàreas, dolomítas i marbres cristalins. Ademés són menas de numerosos metals. Els minerals més importants del grup dels carbonat són la calcita, el aragonito (CaCO₃), i la dolomita (MgCa(CO₃)₂). Atres importants són la smithsonita (ZnCO₃), la rodocrosita (MnCO₃) i la magnesita (MgCO₃). Estos s'agrupen en subgrups denominats grup de la calcita (sistema trigonal), el grup del aragonito (sistema ortorrómbico) i els grups de la dolomita (trigonal) i dels carbonat monoclínics com la malaquita (Cu₂CO₃(OH)₂) i la azurita (Cu₃(CO₃)₂(OH)₂), en presència d'ions hidròxit en la seua estructura.

Els carbonat solen presentar-se en forma de minerals com la calcita en els que se'l calcio pot estar substituït per ions Mn²⁺, Fe²⁺ o Mg²⁺, en séries isomorfas que es exienden des de la (I) siderita (FeCO₃) fins a la magnesita (MgCO₃) passant per la ankerita (FeCa(CO₃)₂) i la dolomita (MgCa(CO₃)₂); (II) des de la magnesita i siderita fins a la rodocrosita (MnCO₃) i (III) des de la dolomita i ankerita fins a la kutnahorita.^,

Isomorfos

Els carbonat solen tindre una durea mija en valors de típics de 3 - 5 en la escala de Mohs.

Ixes carbonatades

En la següent taula periòdica s'ordenen les sals carbonatades segons els elements corresponents, en indicació del seu pes molecular (g/mol). Ademés dels carbonat indicats en la taula periòdica següent també existixen uns atres com el carbonat amònic (NH₄)₂CO₃ i el bicarbonato d'amoni (NH₄)HCO₃.

63, 03 H2CO3

He

73,89 Li2CO3

69,02 BEQUE3

B

C

N

O

F

Ne

105,99 Na2CO3

84,31 MgCO3

233,99 A el2(CO3)3

Si

P

S

Cl

Ar

138,20 K2CO3

100,87 CaCO3

Sc

Tu

V

Cr

114,95 MnCO3

115,84 FeCO3

118,94 COCO3

118,70 NiCO3

123,55 CuCO3

125,38 ZnCO3

Ga

Ge

As

Es

Br

Kr

230,94 Rb2CO3

147,63 SrCO3

I

Zr

Nb

Mo

Tc

Ru

Rh

Pd

275,74 Ag2CO3

176,41 CdCO3

In

Sn

Sb

Et

I

Xe

325,82 Cs2CO3

197,34 BaCO3

✶

Hf

Ta

W

Re

Vos

Anar

Pt

Au

Hg

468,77 Tl2CO3

267,21 PbCO3

Bi

Po

At

Rn

Fr

Ra

◘

Rf

Db

Sg

Bh

Hs

Mt

Ds

Rg

Cn

Nh

Fl

Mc

Lv

Ts

Og

✶

Plantilla:Tc

457,84 La2(CO3)3

Ce

Pr

Nd

Pm

Sm

Eu

Gd

Tb

Dy

Ho

Er

Tm

Yb

Lu

◘

Plantilla:Tc

89 Ac

90 Th

91 Pa

92 O

93 Np

94 Pu

95 Am

96 Cm

97 Bk

98 Cf

99 És

100 Fm

101 Md

102 No

103 Lr

Alcalinos	Alcalinotérreos	Lantànits	Actínits	Metals de transició
Metals del bloc p	Metaloides	No metals	Halógenos	Gasos nobles i Transactínidos

Química

La química del carbonat i els equilibris químics dels seus ions derivats juguen un paper fonamental en la formació dels paisages calcáreos o karsts com el de la Ciutat Encantada de Conca, Espanya

Com s'ha comentat més dalt, els carbonat reaccionen en els àcit lliberant aigua i diòxit de carbono. Per al cas del carbonat càlcic:

CaCO₃ + 2HCl → CaCl₂ + H₂O + CO₂

Les sals carbónicas es formen en mijos acuosos en els que existixen cationes metàlics dissolts i en els que es infunde una corrent de diòxit de carbono. Este procés es esquematiza per mig de les següents reaccions:

1) CO₂ (g) + H₂O → H₂CO₃ (acu.)

2) H₂CO₃↔ H⁺ + HCO₃^-

3) HCO₃^- ↔ H⁺ + CO₃^2-

A la seua volta cationes metàlics en càrregues positives, M⁺, M²⁺ o M³⁺ reaccionaren en el anión carbonat per a donar les següents sals:

4) 2M⁺ + CO₃^2- → M₂CO₃

5) M²⁺ + CO₃^2- → MCO₃

6) 2M³⁺ + 3CO₃^2- → M₂(CO₃)₃

La reacció (5) és el cas de la formació de depòsits calcáreos o karst en formes d'estalactitas, estalagmitas o incrustaciones en zones riques en calcàreas i roques carbonatades:

Ca²⁺(acu.) + CO₃^2- → CaCO₃ (s)

Estabilitat tèrmica

Els carbonat es descomponen tèrmicament desprenent diòxit de carbono i donant lloc al òxit metàlic corresponent segons la següent reacció:

M₂CO₃ → M₂O + CO₂ (cationes alcalinos: Li⁺, Na⁺, K⁺, Rb⁺, Cs⁺)

MCO₃ → MO + CO₂ (cationes alcalinotérreos: Be²⁺, Mg²⁺, Ca²⁺, Sr²⁺, Ba²⁺, Ra²⁺)

L'estabilitat tèrmica dels carbonat creix en el tamany dels cationes que els componen. D'esta manera per a un periodo donat l'estabilitat creix en el grup (alcalinotérreos> alcalinos) i per a un grup donat aumenta segons descendim: MgCO₃ (400 °C), CaCO₃ (900 °C), SrCO₃ (1290 °C), BaCO₃ (1360 °C). Al procés de descomposició de la calcita se li denomina calcinació, derivat del procés d'obtenció de calç viva a partir del carbonat càlcic:

CaCO₃ → CaO + CO₂ (g)

Carbonat orgànics

Els carbonat orgànics són éster de l'àcit carbónico. Es poden formar a partir de fosgeno (Cl₂C=O) i l'alcohol corresponent. Especialment els policarbonats basats en dialcoholes com el 2,2-bis(4-hidroxifenil)-propà (HOC₆H₄-C(CH₃)₂-C₆H₄OH) han adquirit importància com a materials altament transparents en la fabricació dels CD o com a substitut del vidre.

Vore també

• Bicarbonato