18.6: Виникнення, підготовка та властивості карбонатів

Last updated
Save as PDF

Page ID: 22583

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

Цілі навчання

Опишіть отримання, властивості та використання деяких репрезентативних карбонатів металів

Хімія вуглецю велика; однак більшість цієї хімії не має відношення до цієї глави. Інші аспекти хімії вуглецю з'являться в розділі, що охоплює органічну хімію. У цьому розділі мова піде про карбонатний іон і споріднені речовини. Метали 1 і 2 груп, а також цинк, кадмій, ртуть та свинець (II) утворюють іонні карбонати — сполуки, що містять карбонатні аніони\(\ce{CO3^2-}\). Метали групи 1, магній, кальцій, стронцій та барій також утворюють карбонати водню - сполуки, які містять аніон гідрокарбонату\(\ce{HCO3-}\), також відомий як бікарбонатний аніон.

За винятком карбонату магнію, можна готувати карбонати металів 1 і 2 груп шляхом реакції вуглекислого газу з відповідним оксидом або гідроксидом. Приклади таких реакцій включають:

\[ \begin{align} \ce{Na2O}(s)+\ce{CO2}(g) &⟶ \ce{Na2CO3}(s)\\[4pt] \ce{Ca(OH)2}(s)+\ce{CO2}(g) &⟶\ce{CaCO3}(s)+\ce{H2O}(l) \end{align} \nonumber \]

Карбонати лужноземельних металів групи 12 і свинцю (II) не розчиняються. Ці карбонати випадають в осад при змішуванні розчину розчинного карбонату лужного металу з розчином розчинних солей цих металів. Прикладами чистих іонних рівнянь для реакцій є:

\[ \begin{align} \ce{Ca^2+}(aq)+\ce{CO3^2-}(aq) &⟶\ce{CaCO3}(s) \\[4pt] \ce{Pb^2+}(aq)+\ce{CO3^2-}(aq) &⟶\ce{PbCO3}(s) \end{align} \nonumber \]

Перли і раковини більшості молюсків - карбонат кальцію. Олово (II) або один з тривалентних або чотиривалентних іонів, таких як Al ³⁺ або Sn ⁴⁺, поводяться по-різному в цій реакції як вуглекислий газ і відповідна форма оксиду замість карбонату.

Карбонати водню лужних металів, такі як NaHCO ₃ і CshCo ₃, утворюють шляхом насичення розчину гідроксидів вуглекислим газом. Чиста іонна реакція включає гідроксид-іон і вуглекислий газ:

\[\ce{OH-}(aq)+\ce{CO2}(aq)⟶\ce{HCO3-}(aq) \nonumber \]

Виділити тверді частинки можна шляхом випаровування води з розчину.

Хоча вони не розчиняються в чистій воді, лужноземельні карбонати легко розчиняються у воді, що містить вуглекислий газ, оскільки утворюються солі гідрокарбонату. Наприклад, печери і воронки утворюються у вапняку, коли СаСО ₃ розчиняється у воді, що містить розчинений вуглекислий газ:

\[\ce{CaCO3}(s)+\ce{CO2}(aq)+\ce{H2O}(l)⟶\ce{Ca^2+}(aq)+\ce{2HCO3-}(aq) \nonumber \]

Карбонати водню лужноземельних металів залишаються стабільними тільки в розчині; при випаровуванні розчину утворюється карбонат. Сталактити і сталагміти, як і показані на малюнку\(\PageIndex{1}\), утворюються в печерах, коли краплі води, що містять розчинений гідрокарбонат кальцію, випаровуються, залишаючи осад карбонату кальцію.

альт — Малюнок\(\PageIndex{1}\): (а) Сталактити і (б) сталагміти - печерні освіти карбонату кальцію. (Кредит а: модифікація роботи Арвінда Говіндараджа; кредит б: зміна роботи Службою національних парків.)

Два карбонати, що використовуються комерційно в найбільших кількостях, - це карбонат натрію та карбонат кальцію. У США карбонат натрію витягується з мінеральної трони, Na ₃ (CO ₃) (HCO ₃) (H ₂ O) ₂. Після перекристалізації для видалення глини та інших домішок, нагрівання перекристалізованої трони виробляє Na ₂ CO ₃:

\[\ce{2Na3(CO3)(HCO3)(H2O)2}(s)⟶\ce{3Na2CO3}(s)+\ce{5H2O}(l)+\ce{CO2}(g) \nonumber \]

Карбонати є помірно міцними основами. Водні розчини є основними, оскільки карбонатний іон приймає іон водню з води в цій оборотній реакції:

\[\ce{CO3^2-}(aq)+\ce{H2O}(l)⇌\ce{HCO3-}(aq)+\ce{OH-}(aq) \nonumber \]

Карбонати реагують з кислотами з утворенням солей металу, газоподібного вуглекислого газу та води. Реакція карбонату кальцію, діючої речовини антациду Тумс, з соляною кислотою (шлунковою кислотою), як показано на малюнку\(\PageIndex{2}\), ілюструє реакцію:

\[\ce{CaCO3}(s)+\ce{2HCl}(aq)⟶\ce{CaCl2}(aq)+\ce{CO2}(g)+\ce{H2O}(l) \nonumber \]

Інші області застосування карбонатів включають виготовлення скла - де карбонатні іони служать джерелом оксидних іонів - і синтез оксидів.

Карбонати водню амфотерні, оскільки діють як слабкі кислоти, так і слабкі основи. Іони гідрокарбонату діють як кислоти і вступають в реакцію з розчинами розчинних гідроксидів з утворенням карбонату і води:

\[\ce{KHCO3}(aq)+\ce{KOH}(aq)⟶\ce{K2CO3}(aq)+\ce{H2O}(l) \nonumber \]

З кислотами карбонати водню утворюють сіль, вуглекислий газ і воду. Харчова сода (бікарбонат соди або бікарбонат натрію) - гідрокарбонат натрію. Розпушувач містить харчову соду і таку тверду кислоту, як тартрат водню калію (крем з зубного каменю), KHC ₄ _{H 4} O ₆. Поки порошок сухий, ніякої реакції не відбувається; відразу після додавання води кислота реагує з іонами гідрокарбонату з утворенням вуглекислого газу:

\[\ce{HC4H4O6-}(aq)+\ce{HCO3-}(aq)⟶\ce{C4H4O6^2-}(aq)+\ce{CO2}(g)+\ce{H2O}(l) \nonumber \]

Тісто буде затримувати вуглекислий газ, змушуючи його розширюватися під час випічки, створюючи характерну текстуру хлібобулочних виробів.

Резюме

Звичайним способом отримання карбонатів лужних і лужноземельних металів є реакція оксиду або гідроксиду з вуглекислим газом. Інші карбонати утворюються при опадах. Поширеними прикладами є карбонати металів або карбонати водню, такі як вапняк (CaCo ₃), антацидні туми (CaCo ₃) та харчова сода (NaHCO ₃). Карбонати і карбонати водню розкладаються в присутності кислот і більшість розкладаються при нагріванні.

Глосарій

бікарбонат аніон: сіль іона гідрокарбонату,\(\ce{HCO3-}\)

карбонату: сіль аніона\(\ce{CO3^2-}\); часто утворюється в результаті реакції вуглекислого газу з підставами

гідрокарбонат: сіль вугільної кислоти, H ₂ CO ₃ (що містить аніон\(\ce{HCO3-}\)), в якій був замінений один атом водню; карбонат кислоти; також відомий як бікарбонатний іон