stringtranslate.com

Карбонат

Карбонат – это соль угольной кислоты H 2 CO 3 , [ 2 ] характеризующаяся наличием карбонат-иона – многоатомного иона с формулой CO .2-3. Слово «карбонат» может также относиться к сложному эфиру карбоната , органическому соединению, содержащему карбонатную группу O=C(-O-) 2 .

Этот термин также используется как глагол для описания карбонизации : процесса повышения концентрации ионов карбоната и бикарбоната в воде для производства газированной воды и других газированных напитков – либо путем добавления углекислого газа под давлением, либо путем растворения карбоната или бикарбонатные соли в воду.

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 обеих преобладает карбонат-ион CO .2-3. Карбонатные минералы чрезвычайно разнообразны и повсеместно распространены в химически осажденных осадочных породах . Наиболее распространены кальцит или карбонат кальция , СаСО 3 , основной компонент известняка (а также основной компонент раковин моллюсков и скелетов кораллов ); доломит , карбонат кальция-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 с древности использовались для очистки и консервации, а также для изготовления стекла . Карбонаты широко используются в промышленности, например, при выплавке чугуна, в качестве сырья для производства портландцемента и извести , в составе керамических глазурей и т.д. Новые 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

Карбонат-ион — простейший оксоуглеродный анион . Он состоит из одного атома углерода , окруженного тремя атомами кислорода , в тригональном плоском расположении с молекулярной симметрией D 3h . Он имеет молекулярную массу 60,01  г/моль и общий формальный заряд -2. Это сопряженное основание иона гидрокарбоната (бикарбоната) [8] HCO .−3, которое 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 с изоэлектронным нитрат- ионом, симметрия может быть достигнута за счет резонанса между тремя структурами:

Резонансные структуры карбонат-иона

Этот резонанс можно резюмировать моделью с дробными связями и делокализованными зарядами:

Делокализация и частичные заряды карбонат-иона Модель заполнения пространства карбонат-иона

Химические свойства

Сталактиты и сталагмиты относятся к карбонатным минералам.

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

СаСО 3 → СаО + СО 2

Как показывает его сродство к Ca 2+ , карбонат является лигандом для многих катионов металлов. Карбонатные и бикарбонатные комплексы переходных металлов содержат ионы металлов, ковалентно связанные с карбонатом различными способами связи.

Карбонаты лития , натрия , калия , рубидия , цезия и аммония являются водорастворимыми солями, но карбонаты ионов 2+ и 3+ часто плохо растворимы в воде. Из нерастворимых карбонатов металлов важное значение имеет CaCO 3 , поскольку в виде накипи он накапливается в трубах и затрудняет поток по трубам. Источником этого материала является жесткая вода .

Подкисление карбонатов обычно приводит к высвобождению углекислого газа :

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

Таким образом, накипь можно удалить кислотой.

В растворе равновесие между карбонатом, бикарбонатом, углекислым газом и угольной кислотой чувствительно к pH, температуре и давлению. Хотя двух- и трехвалентные карбонаты имеют низкую растворимость, бикарбонатные соли растворимы гораздо лучше. Эта разница связана с несопоставимыми энергиями решетки твердых тел, состоящих из моно- и дианионов, а также моно- и дидикатионов.

В водном растворе карбонат, бикарбонат, углекислый газ и угольная кислота участвуют в динамическом равновесии . В сильноосновных условиях преобладает карбонат-ион, а в слабоосновных – бикарбонат - ион. В более кислых условиях водный диоксид углерода CO 2 (водный) является основной формой, которая вместе с водой H 2 O находится в равновесии с угольной кислотой – равновесие сильно ориентировано в сторону диоксида углерода. Так , карбонат натрия является основным, бикарбонат натрия — слабоосновным, а сам углекислый газ — слабой кислотой.

Органические карбонаты

В органической химии карбонат также может 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 сложные эфиры карбонатов 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 заменитель 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 + + ОХС−3⇌ Н 2 СО 3
  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 , вызывая равновесие первой реакции, пытаясь восстановить уровень угольной кислоты путем реакции бикарбоната с ионом водорода, пример Le Принцип Шателье . В результате кровь становится более щелочной (повышается pH). По такому же принципу при слишком высоком pH почки выделяют бикарбонат ( HCO−3) в мочу в виде мочевины через цикл мочевины (или орнитиновый цикл Кребса-Хенселейта). При удалении бикарбоната образуется больше H + из угольной кислоты ( H 2 CO 3 ), которая поступает из CO 2 (г) , вырабатываемого в результате клеточного дыхания . [11]

Важно отметить, что аналогичный буфер действует и в океанах. Это основной фактор изменения климата и долгосрочного углеродного цикла из-за большого количества морских организмов (особенно кораллов), которые состоят из карбоната кальция. Повышенная растворимость карбоната из-за повышения температуры приводит к снижению производства морского кальцита и увеличению концентрации углекислого газа в атмосфере. Это, в свою очередь, повышает температуру Земли. Количество CO2-3Доступный газ находится в геологическом масштабе, и значительные его количества в конечном итоге могут быть повторно растворены в море и выброшены в атмосферу, что еще больше увеличит уровень CO 2 . [12]

Карбонатные соли

Присутствие за пределами Земли

Обычно считается, что присутствие карбонатов в горных породах является убедительным доказательством присутствия жидкой воды. Недавние наблюдения планетарной туманности NGC 6302 свидетельствуют о наличии карбонатов в космосе [13] , где изменение водной среды, подобное земному, маловероятно. Были предложены и другие минералы, которые соответствовали бы наблюдениям.

До недавнего времени на Марсе не было обнаружено месторождений карбоната с помощью дистанционного зондирования или миссий на месте, хотя марсианские метеориты содержат небольшое его количество. Грунтовые воды могли существовать в Гусеве [14] и Меридиани Планум . [15]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Международный союз теоретической и прикладной химии (2005). Номенклатура неорганической химии (Рекомендации ИЮПАК 2005 г.). Кембридж (Великобритания): RSC – IUPAC . ISBN  0-85404-438-8 . Электронная версия.
  2. ^ аб Чисхолм, Хью , изд. (1911). «Карбонаты»  . Британская энциклопедия (11-е изд.). Издательство Кембриджского университета.
  3. ^ Наваррете, Н.; Нитиянантам, У.; Эрнандес, Л.; Мондрагон, Р. (01 марта 2022 г.). «Расплавленные карбонатные смеси K2CO3–Li2CO3 и их наножидкости для хранения тепловой энергии: обзор литературы». Материалы для солнечной энергии и солнечные элементы . 236 : 111525. doi : 10.1016/j.solmat.2021.111525. 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. doi : 10.1016/j.corsci.2023.111262 . ISSN  0010-938X.
  5. ^ Хаякава, Мамико; Таширо, Кенширо; Сумия, Дайки; Аояма, Тадаши (18 июня 2023 г.). «Простые методы синтеза N-замещенных акриламидов с использованием Na 2 CO 3 /SiO 2 или NaHSO 4 /SiO 2». Синтетические коммуникации . 53 (12): 883–892. дои : 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. ^ Анодная генерация пероксида водорода в непрерывном потоке, DOI: 10.1039/D2GC02575B (бумага) Green Chem., 2022, 24 , 7931-7940.
  8. ^ Номенклатура неорганической химии Рекомендации ИЮПАК 2005 (PDF) , ИЮПАК, стр. 137, заархивировано (PDF) из оригинала 18 мая 2017 г.
  9. ^ «Химическое вещество недели — биологические буферы». Архивировано из оригинала 21 июля 2011 г. Проверено 5 сентября 2010 г.
  10. ^ Кислотно-щелочная регуляция и расстройства в Руководстве по диагностике и терапии Merck, профессиональное издание.
  11. ^ Сильверторн, Ди Унглауб (2016). Физиология человека. Комплексный подход (Седьмое, Глобальное изд.). Харлоу, Англия: Пирсон. 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 меняющегося климата . стр. 3–35.
  13. ^ Кемпер, Ф., Молстер, Ф.Дж., Джагер, К. и Уотерс, LBFM (2001) Минеральный состав и пространственное распределение пылевых выбросов NGC 6302. Astronomy & Astrophysicals 394 , 679–690.
  14. ^ Сквайрс, Юго-Запад; и другие. (2007). «Пирокластическая активность на Домашней плите в кратере Гусева, Марс» (PDF) . Наука . 316 (5825): 738–742. Бибкод : 2007Sci...316..738S. дои : 10.1126/science.1139045. hdl : 2060/20070016011 . PMID  17478719. S2CID  9687521. Архивировано (PDF) из оригинала 22 сентября 2017 г.
  15. ^ Сквайрс, Юго-Запад; и другие. (2006). «Обзор миссии марсохода Opportunity к плато Меридиани: от кратера Орла до пульсации чистилища» (PDF) . Журнал геофизических исследований: Планеты . 111 (E12): н/д. Бибкод : 2006JGRE..11112S12S. дои : 10.1029/2006JE002771 . hdl : 1893/17165. Архивировано (PDF) из оригинала 8 августа 2017 г.

Внешние ссылки

Викискладе есть медиафайлы по теме карбонатов .