stringtranslate.com

Карбонат

Карбонат — это соль угольной кислоты H2CO3 , [ 2], характеризующаяся наличием карбонат - иона , многоатомного иона с формулой CO2−3. Слово «карбонат» может также относиться к карбонатному эфиру , органическому соединению, содержащему карбонатную группу O=C(−O−) 2 .

Этот термин также используется в качестве глагола для описания карбонизации : процесса повышения концентрации ионов карбоната и бикарбоната в воде для получения газированной воды и других газированных напитков — либо путем добавления углекислого газа под давлением, либо путем растворения солей карбоната или бикарбоната в воде.

В геологии и минералогии термин «карбонат» может относиться как к карбонатным минералам , так и к карбонатной породе (которая состоит в основном из карбонатных минералов), и в обоих случаях преобладает карбонатный ион CO2−3. Карбонатные минералы чрезвычайно разнообразны и повсеместно встречаются в химически осажденных осадочных породах . Наиболее распространенными являются кальцит или карбонат кальция , CaCO 3 , главный компонент известняка (а также основной компонент раковин моллюсков и скелетов кораллов ); доломит , карбонат кальция и магния CaMg(CO 3 ) 2 ; и сидерит , или карбонат железа (II) , FeCO 3 , важная железная руда . Карбонат натрия («сода» или «натрон»), Na 2 CO 3 , и карбонат калия («поташ»), K 2 CO 3 , использовались с древних времен для очистки и консервации, а также для производства стекла . Карбонаты широко используются в промышленности, например, при выплавке чугуна, в качестве сырья для производства портландцемента и извести , в составе керамических глазурей и многого другого. Новые области применения карбонатов щелочных металлов включают: хранение тепловой энергии, [3] [4] катализ [5] и электролиты как в технологии топливных элементов [6] , так и в электросинтезе H 2 O 2 в водных средах. [7]

Структура и связь

Карбонатный ион — простейший оксоуглеродный анион . Он состоит из одного атома углерода , окруженного тремя атомами кислорода , в тригональной плоской структуре с молекулярной симметрией D 3h . Он имеет молекулярную массу 60,01  г/моль и несет общий формальный заряд −2. Он является сопряженным основанием гидрокарбонатного (бикарбонатного) [8] иона, HCO−3, которая является сопряженным основанием H 2 CO 3 , угольной кислоты .

Структура Льюиса карбонат-иона имеет две (длинные) одинарные связи с отрицательными атомами кислорода и одну короткую двойную связь с нейтральным атомом кислорода.

Простая локализованная структура Льюиса карбонат-иона

Эта структура несовместима с наблюдаемой симметрией иона, которая подразумевает, что три связи имеют одинаковую длину и что три атома кислорода эквивалентны. Как и в случае изоэлектронного нитрат- иона, симметрия может быть достигнута путем резонанса между тремя структурами:

Резонансные структуры карбонат-иона

Этот резонанс можно обобщить с помощью модели с дробными связями и делокализованными зарядами:

Делокализация и частичные заряды на карбонат-ионе Модель заполнения пространства карбонатным ионом

Химические свойства

Сталактиты и сталагмиты — это карбонатные минералы.

Карбонаты металлов обычно разлагаются при нагревании, выделяя углекислый газ, оставляя оксид металла. [2] Этот процесс называется кальцинированием , от calx , латинского названия негашеной извести или оксида кальция , CaO, который получают путем обжига известняка в известковой печи :

СаСО3 → СаО + СО2

Как показано на примере его сродства к Ca 2+ , карбонат является лигандом для многих катионов металлов. Комплексы карбонатов и бикарбонатов переходных металлов содержат ионы металлов, ковалентно связанные с карбонатом в различных режимах связи.

Карбонаты лития , натрия , калия , рубидия , цезия и аммония являются водорастворимыми солями, но карбонаты ионов 2+ и 3+ часто плохо растворяются в воде. Из нерастворимых карбонатов металлов важен CaCO 3 , поскольку в виде накипи он накапливается в трубах и затрудняет поток через них. Жесткая вода богата этим материалом, что приводит к необходимости инфраструктурного умягчения воды .

Подкисление карбонатов обычно приводит к выделению углекислого газа :

CaCO 3 + 2 HCl → CaCl 2 + CO 2 + H 2 O

Таким образом, накипь можно удалить с помощью кислоты.

В растворе равновесие между карбонатом, бикарбонатом, диоксидом углерода и угольной кислотой чувствительно к pH, температуре и давлению. Хотя двух- и трехвалентные карбонаты имеют низкую растворимость, соли бикарбоната растворимы гораздо лучше. Это различие связано с разной энергией решетки твердых тел, состоящих из моно- и дианионов, а также моно- и дикатионов.

В водном растворе карбонат, бикарбонат, диоксид углерода и угольная кислота участвуют в динамическом равновесии . В сильнощелочных условиях преобладает ион карбоната, в то время как в слабощелочных условиях преобладает ион бикарбоната . В более кислых условиях водный диоксид углерода , CO2 (aq) , является основной формой, которая с водой, H2O , находится в равновесии с угольной кислотой – равновесие сильно смещено в сторону диоксида углерода. Таким образом, карбонат натрия является основным , бикарбонат натрия является слабощелочным, в то время как сам диоксид углерода является слабой кислотой.

Органические карбонаты

В органической химии карбонат может также относиться к функциональной группе внутри более крупной молекулы, которая содержит атом углерода, связанный с тремя атомами кислорода, один из которых имеет двойную связь. Эти соединения также известны как органокарбонаты или карбонатные эфиры и имеют общую формулу R−O−C(=O)−O−R′ или RR′CO 3 . Важные органокарбонаты включают диметилкарбонат , циклические соединения этиленкарбонат и пропиленкарбонат , а также замену фосгена, трифосген .

Буфер

Три обратимые реакции контролируют баланс pH крови и действуют как буфер , стабилизируя его в диапазоне 7,37–7,43: [9] [10]

  1. Н + + НСО−3⇌ Н2СО3​​
  2. H 2 CO 3 ⇌ CO 2 (водн.) + H 2 O
  3. CO 2 (водн.) ⇌ CO 2 (г)

Выдыхаемый CO 2 (г) истощает CO 2 (водн) , который в свою очередь потребляет H 2 CO 3 , заставляя равновесие первой реакции попытаться восстановить уровень угольной кислоты путем реакции бикарбоната с ионом водорода, пример принципа Ле Шателье . Результатом является повышение щелочности крови (повышение pH). По тому же принципу, когда pH слишком высок, почки выделяют бикарбонат ( HCO−3) в мочу в виде мочевины через цикл мочевины (или орнитиновый цикл Кребса-Хензелейта). При удалении бикарбоната образуется больше H + из угольной кислоты ( H 2 CO 3 ), которая поступает из CO 2 (г), вырабатываемого клеточным дыханием . [11]

Важно, что аналогичный буфер действует в океанах. Это основной фактор изменения климата и долгосрочного углеродного цикла из-за большого количества морских организмов (особенно кораллов), которые состоят из карбоната кальция. Повышение растворимости карбоната из-за повышения температуры приводит к снижению производства морского кальцита и повышению концентрации углекислого газа в атмосфере. Это, в свою очередь, повышает температуру Земли. Количество CO2−3доступны в геологических масштабах, и значительные количества могут в конечном итоге быть повторно растворены в море и выброшены в атмосферу, еще больше увеличивая уровень CO 2. [12]

Карбонатные соли

Присутствие вне Земли

Обычно считается, что присутствие карбонатов в породе является весомым доказательством присутствия жидкой воды. Недавние наблюдения за планетарной туманностью NGC 6302 демонстрируют доказательства наличия карбонатов в космосе, [13] где водные изменения, подобные земным, маловероятны. Были предложены и другие минералы, которые соответствовали бы наблюдениям.

Небольшие количества карбонатных отложений были обнаружены на Марсе с помощью спектральной визуализации [14] и марсианские метеориты также содержат небольшие количества. Подземные воды могли существовать в Гусеве [15] и на плато Меридиана . [16]

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ Международный союз теоретической и прикладной химии (2005). Номенклатура неорганической химии (Рекомендации ИЮПАК 2005). Кембридж (Великобритания): RSC – IUPAC . ISBN  0-85404-438-8 . Электронная версия.
  2. ^ ab Chisholm, Hugh , ed. (1911). "Карбонаты"  . Encyclopaedia Britannica (11-е изд.). Cambridge University Press.
  3. ^ Наваррете, Н.; Нитиянантам, У.; Эрнандес, Л.; Мондрагон, Р. (2022-03-01). «Смеси расплавленных карбонатов K2CO3–Li2CO3 и их наножидкости для хранения тепловой энергии: обзор литературы». Материалы и солнечные элементы для солнечной энергетики . 236 : 111525. doi : 10.1016/j.solmat.2021.111525. hdl : 10234/196651 . ISSN  0927-0248. S2CID  245455194.
  4. ^ Ламбрехт, Микаэль; Гарсиа-Мартин, Густаво; де Мигель, Мария Тереза; Ласанта, Мария Исабель; Перес, Франсиско Хавьер (01 августа 2023 г.). «Температурная зависимость высокотемпературной коррозии сплава на основе никеля в расплавленных карбонатах для применения в концентрированной солнечной энергии». Коррозионная наука . 220 : 111262. Бибкод : 2023Corro.22011262L. дои : 10.1016/j.corsci.2023.111262 . ISSN  0010-938X.
  5. ^ Хаякава, Мамико; Таширо, Кенширо; Сумия, Дайки; Аояма, Тадаши (2023-06-18). "Простые методы синтеза N-замещенных акриламидов с использованием Na2CO3/SiO2 или NaHSO4/SiO2". Synthetic Communications . 53 (12): 883–892. doi :10.1080/00397911.2023.2201454. ISSN  0039-7911. S2CID  258197818.
  6. ^ Милевский, Ярослав; Вейржановский, Томаш; Фунг, Куан-Зонг; Щшняк, Аркадиуш; Свика, Кароль; Цай, Шу-И; Дыбинский, Олаф; Скибински, Якуб; Тан, Джих-Ю; Шабловский, Лукаш (21 апреля 2021 г.). «Поддержка ионной проводимости расплавленного карбонатного электролита Li2CO3/K2CO3 с помощью матрицы циркония, стабилизированной иттрием». Международный журнал водородной энергетики . Международный семинар по расплавленным карбонатам и смежным темам 2019 (IWMC2019). 46 (28): 14977–14987. doi : 10.1016/j.ijhydene.2020.12.073. ISSN  0360-3199. S2CID  234180559.
  7. ^ Анодное образование перекиси водорода в непрерывном потоке, DOI: 10.1039/D2GC02575B (Paper) Green Chem., 2022, 24 , 7931-7940
  8. ^ Номенклатура неорганической химии Рекомендации ИЮПАК 2005 (PDF) , ИЮПАК, стр. 137, архивировано (PDF) из оригинала 2017-05-18
  9. ^ "Химическое вещество недели — Биологические буферы". Архивировано из оригинала 2011-07-21 . Получено 2010-09-05 .
  10. ^ Кислотно-щелочная регуляция и нарушения в руководстве Merck по диагностике и терапии, профессиональное издание
  11. ^ Silverthorn, Dee Unglaub (2016). Физиология человека. Комплексный подход (Седьмое, глобальное издание). Harlow, England: Pearson. стр. 607–608, 666–673. ISBN 978-1-292-09493-9.
  12. ^ МГЭИК (2019). «Резюме для политиков» (PDF) . Специальный доклад МГЭИК об океане и криосфере в условиях изменяющегося климата . стр. 3–35.
  13. ^ Кемпер, Ф., Молстер, Ф.Дж., Ягер, К. и Уотерс, Л.Б.Ф.М. (2001) Минеральный состав и пространственное распределение выбросов пыли NGC 6302. Астрономия и астрофизика 394 , 679–690.
  14. ^ Фейрен, Альберто Г.; Фернандес-Ремоляр, Дэвид; Дом, Джеймс М.; Бейкер, Виктор Р.; Амилс, Рикардо (сентябрь 2004 г.). «Ингибирование синтеза карбонатов в кислых океанах на раннем Марсе». Nature . 431 (7007): 423–426. Bibcode :2004Natur.431..423F. doi :10.1038/nature02911. ISSN  1476-4687. PMID  15386004.
  15. ^ Squyres, SW; et al. (2007). "Pyroclastic Activity at Home Plate in Gusev Crater, Mars" (PDF) . Science . 316 (5825): 738–742. Bibcode :2007Sci...316..738S. doi :10.1126/science.1139045. hdl : 2060/20070016011 . PMID  17478719. S2CID  9687521. Архивировано (PDF) из оригинала 2017-09-22.
  16. ^ Squyres, SW; et al. (2006). "Обзор миссии марсохода Opportunity Mars Exploration Rover Mission to Meridiani Planum: Eagle Crater to Purgatory Ripple" (PDF) . Journal of Geophysical Research: Planets . 111 (E12): n/a. Bibcode :2006JGRE..11112S12S. doi : 10.1029/2006JE002771 . hdl :1893/17165. Архивировано (PDF) из оригинала 2017-08-08.

Внешние ссылки

На Викискладе есть медиафайлы по теме «Карбонаты» .