Карбонаты

Не следует путать с карбонатитом — горной породой и карбонадом — мясным блюдом.

Модель карбонат-иона

Карбона́ты — соли и эфиры угольной кислоты (H₂CO₃). Неорганические карбонаты подразделяются на средние, или просто карбонаты, содержащие анион СО₃²⁻, и кислые (гидрокарбонаты или бикарбонаты), содержащие анион НСО₃⁻.

Свойства

Почти все карбонаты — бесцветные вещества. За исключением карбонатов щелочных металлов, они неустойчивы к нагреванию — разлагаются ещё до плавления. Карбонаты двухвалентных ртути и меди, а также многих трёхвалентных металлов не существуют при нормальных условиях.

Растворимость

Из средних карбонатов в воде растворимы только соли щелочных металлов, аммония и одновалентного таллия. Хуже всего растворимы карбонаты кальция, бария, стронция и свинца. Все гидрокарбонаты, наоборот, хорошо растворимы в воде.

Как правило, карбонаты не образуют кристаллогидратов (исключение — карбонаты натрия и некоторых редких элементов).

Поскольку угольная кислота относится к слабым кислотам, растворы её солей вследствие гидролиза имеют щелочную реакцию, более сильную у карбонатов и более слабую у гидрокарбонатов.

Химические свойства

При нагревании гидрокарбонаты переходят в карбонаты:

[math]\ce{ 2NaHCO3 ->[100^\circ\text{C}] Na2CO3{} + H2O{} + CO2 }[/math]

При сильном нагревании (чем активнее металл, тем выше требуемая температура) все карбонаты разлагаются на оксиды и углекислый газ:

[math]\ce{ Na2CO3 ->[1000^\circ\text{C}] Na2O{} + CO2 }[/math]

[math]\ce{ CaCO3 ->[800^\circ\text{C}] CaO{} + CO2 }[/math]

Карбонаты реагируют с кислотами сильнее угольной (включая такие слабые, как уксусная) с выделением углекислого газа, эти реакции являются качественными реакциями на наличие карбонатов:

[math]\ce{ Na2CO3 + 2 HCl -> 2 NaCl + H2O + CO2 ^ }[/math]

[math]\ce{ NaHCO3 + HCl -> NaCl + H2O + CO2 ^ }[/math]

Под действием растворённого в воде углекислого газа нерастворимые карбонаты переходят в раствор, превращаясь в гидрокарбонаты (эти процессы протекают в природе и вызывают жёсткость воды):

[math]\ce{ CaCO3 + H2O + CO2 -> Ca(HCO3)2 }[/math]

[math]\ce{ FeCO3 + H2O + CO2 -> Fe(HCO3)2 }[/math]

Получение

Некоторые малорастворимые в воде карбонаты могут быть получены при помощи реакций ионного обмена:

[math]\ce{ CaCl2 + Na2CO3 -> 2NaCl + CaCO3v }[/math]

Это возможно только для тех металлов, карбонаты которых растворяются в воде хуже, чем гидроксиды, а именно кальция, стронция, лантаноидов, одновалентного серебра, двухвалентных свинца, марганца и кадмия. Ионы других металлов дают основные соли или гидроксиды.

Распространение в природе

Основная статья: Карбонаты (минералы)

Нормальные карбонаты широко распространены в природе, например: кальцит СаСО₃, доломит CaMg(CO₃)₂, магнезит MgCO₃, сидерит FeCO₃, витерит ВаСО₃, баритокальцит BaCa(CO₃)₂ и другие. Существуют и минералы, представляющие собой основные карбонаты, например, малахит CuCO₃·Cu(ОН)₂.

Гидрокарбонаты натрия, кальция и магния встречаются в растворённом виде в минеральных водах, а также, в небольшой концентрации, во всех природных водах, кроме атмосферных осадков и ледников. Гидрокарбонаты кальция и магния обуславливают так называемую временную жёсткость воды. При сильном нагревании воды (выше +60 °C) гидрокарбонаты кальция и магния разлагаются на углекислый газ и малорастворимые карбонаты, которые выпадают в осадок на нагревательных элементах, дне и стенках посуды, внутренних поверхностях баков, бойлеров, труб, запорной арматуры и так далее, образуя накипь.

Применение

Карбонаты кальция, магния, бария и др. применяют в строительном деле, в химической промышленности, оптике и др. В технике, промышленности и быту широко применяется сода (Na₂CO₃ и NaHCO₃): при производстве стекла, мыла, бумаги, как моющее средство, при заправке огнетушителей, в кондитерском деле. Кислые карбонаты выполняют важную физиологическую роль, являясь составной частью буферных систем крови, поддерживающих постоянство её рН.

Природные карбонаты свинца, цинка, марганца — ценные руды, из которых получают металлы.

Примеры

Неорганические карбонаты

• Гидрокарбонат магния-калия
• Гидрокарбонат никеля(II)
• Гидрокарбонат тринатрия
• Карбонат калия-натрия
• Карбонат кальция-калия
• Карбонат магния-кальция
• Пероксогидрокарбонат калия
• Пероксодикарбонат калия
• Тиокарбонат калия

Органические карбонаты

Сложные эфиры угольной кислоты (не путать со сложными эфирами карбоновых кислот). Средние ациклические карбонаты — бесцветные жидкости с эфирным запахом; не растворимы или труднорастворимы в воде, этаноле, диэтиламине, аммиаке, растворяются в эфире, ацетоне, бутиламине, бензиламине; образуют азеотропные смеси с водой, спиртами, тетрахлорметаном, этиленхлоргидрином, гексаном, циклогексаном. Циклические — жидкие или легкоплавкие твёрдые вещества; растворяются в воде, смешиваются с ароматическими углеводородами, спиртами, карбоновыми кислотами, ацетоном, хлороформом; не растворимы в алифатических углеводородах, сероводороде; образуют азеотропные смеси с гликолями. Наиболее употребителен диметилкарбонат (см. Карбонилирование).

Карбонат и карбонад

Встречается ошибочное употребление слова «карбонат» в значении «карбонад» (например, лирическим героем песни В. С. Высоцкого: «Любим мы кабанье мясо в карбонате»). На самом деле карбонад — это мясное блюдо, представляющее собой запечённый или зажаренный кусок свинины.