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]
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.
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:
Этот резонанс можно резюмировать моделью с дробными связями и делокализованными зарядами:
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 :
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 :
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.
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 .
Три обратимые реакции контролируют баланс pH крови и действуют как буфер , стабилизируя его в диапазоне 7,37–7,43: [9] [10]
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 клеточным дыханием . [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]
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 небольшие количества. Грунтовые воды могли существовать в Гусеве [14] и Меридиани Планум . [15]