Карбонаты

Карбона́ты — соли угольной кислоты (H₂C O₃), также (в органической химии) сложные эфиры угольной кислоты. Неорганические карбонаты подразделяются на средние, или просто карбонаты, содержащие анион СО₃²⁻, и кислые (гидрокарбонаты или бикарбонаты), содержащие анион НСО₃⁻^[1]. Органические карбонаты➤ имеют общую формулу R−O−С(O)−O−R, могут иметь ациклическое и циклическое строение^[2].

Свойства

Почти все неорганические карбонаты — бесцветные вещества^[3]. 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^[4].

Растворимость

Из средних карбонатов в воде растворимы только соли щелочных металлов, аммония и одновалентного таллия. Хуже всего растворимы карбонаты кальция, бария, стронция и свинца. Большинство гидрокарбонатов, наоборот, хорошо растворимы в воде^[1].

Как правило, карбонаты не образуют кристаллогидратов (исключение — карбонаты натрия и некоторых редких элементов)^[4].

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:

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

При сильном нагревании (чем активнее металл, тем выше требуемая температура^[1]) все карбонаты разлагаются на оксиды и углекислый газ:

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

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

Карбонаты реагируют с кислотами сильнее угольной (включая такие слабые, как уксусная) с выделением углекислого газа, эти реакции являются качественными реакциями на наличие карбонатов^[5]:

{\ce {Na2CO3 + 2 HCl -> 2 NaCl + H2O + CO2 ^}}

{\ce {NaHCO3 + HCl -> NaCl + H2O + CO2 ^}}

Под действием растворённого в воде углекислого газа нерастворимые карбонаты переходят в раствор, превращаясь в гидрокарбонаты (эти процессы протекают в природе и вызывают жёсткость воды)^[1]:

{\ce {CaCO3 + H2O + CO2 -> Ca(HCO3)2}}

{\ce {FeCO3 + H2O + CO2 -> Fe(HCO3)2}}

Получение

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

{\ce {CaCl2 + Na2CO3 -> 2NaCl + CaCO3v}}

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^[1].

Распространение в природе

Средние 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.

Органические карбонаты

Сложные эфиры угольной кислоты, имеющие общую формулу R−O−С(O)−O−R (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^[2].

По химическим свойствам — типичные сложные эфиры. С аммиаком образуют уретаны R−O−С(O)−NH₂^[2].

В промышленности основной метод получения — взаимодействие оксиранов с углекислым газом при нагревании и повышенном давлении (50—100 атм). Также могут быть получены реакцией фосгена со спиртами, гликолями или фенолами, окислительным карбонилированием спиртов и фенолов в присутствии соединений меди и палладия (широко применяется для получения диметилкарбоната), а также из алкенов при их взаимодействии с диоксидом углерода и кислородом в присутствии галогенидов меди^[2].

Применение

Карбонаты кальция, магния, бария и другие 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^[6].

Примеры

Неорганические карбонаты

Карбонат и карбонад

Встречается ошибочное употребление слова «карбонат» в значении «карбонад», то есть подразумевая мясное блюдо, представляющее собой запечённый или зажаренный кусок свинины. Такую ошибку, например, допускает лирический герой песни В. С. Высоцкого: «Любим мы кабанье мясо в карбонате»^[7].

Литература

В Викисловаре есть статья «карбонат»

Примечания

↑ ¹ ² ³ ⁴ ⁵ Карбонаты неорганические // Химическая энциклопедия / Редкол.: Кнунянц И.Л. и др.. — М.: Советская энциклопедия, 1990. — Т. 2 (Даф-Мед). — 671 с. — ISBN 5-82270-035-5.
↑ ¹ ² ³ ⁴ Карбонаты органические // Химическая энциклопедия / Редкол.: Кнунянц И.Л. и др.. — М.: Советская энциклопедия, 1990. — Т. 2 (Даф-Мед). — 671 с. — ISBN 5-82270-035-5.
↑ Некрасов Б.В. Основы общей химии. — М., 1973. — Т. 1. — С. 494.
↑ ¹ ² Карбонаты // Краткая химическая энциклопедия / Отв. ред. И. Л. Кнунянц. — М.: Советская Энциклопедия, 1963. — Т. 2. Ж—Малоновый эфир.
↑ Ходаков Ю. В., Эпштейн Д. А., Глориозов П. А. § 8. Реакции ионного обмена // Неорганическая химия. Учебник для 9 класса. — 7-е изд. — М.: Просвещение, 1976. — С. 15—18. — 2 350 000 экз.
↑ Карбонаты // Казахстан. Национальная энциклопедия (рус.). — Алматы: Қазақ энциклопедиясы, 2005. — Т. III. — ISBN 9965-9746-4-0. (CC BY-SA 3.0)
↑ Текст песни Высоцкого «Охота на кабанов» в ряде печатных изданий — Google Books

[ХЭ-1] ¹ ² ³ ⁴ ⁵ Карбонаты неорганические // Химическая энциклопедия / Редкол.: Кнунянц И.Л. и др.. — М.: Советская энциклопедия, 1990. — Т. 2 (Даф-Мед). — 671 с. — ISBN 5-82270-035-5.

[ХЭ_орг-2] ¹ ² ³ ⁴ Карбонаты органические // Химическая энциклопедия / Редкол.: Кнунянц И.Л. и др.. — М.: Советская энциклопедия, 1990. — Т. 2 (Даф-Мед). — 671 с. — ISBN 5-82270-035-5.

[Nekrasov-3] Некрасов Б.В. Основы общей химии. — М., 1973. — Т. 1. — С. 494.

[КХЭ-4] ¹ ² Карбонаты // Краткая химическая энциклопедия / Отв. ред. И. Л. Кнунянц. — М.: Советская Энциклопедия, 1963. — Т. 2. Ж—Малоновый эфир.

[5] Ходаков Ю. В., Эпштейн Д. А., Глориозов П. А. § 8. Реакции ионного обмена // Неорганическая химия. Учебник для 9 класса. — 7-е изд. — М.: Просвещение, 1976. — С. 15—18. — 2 350 000 экз.

[6] Карбонаты // Казахстан. Национальная энциклопедия (рус.). — Алматы: Қазақ энциклопедиясы, 2005. — Т. III. — ISBN 9965-9746-4-0. (CC BY-SA 3.0)

[7] Текст песни Высоцкого «Охота на кабанов» в ряде печатных изданий — Google Books

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]