Карбонат

Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Карбонат
Шаровидная модель карбонат-аниона.
Имена
Название ИЮПАК
Карбонат
Систематическое название ИЮПАК
Триоксидокарбонат [1] : 127
Идентификаторы
3D модель ( JSmol )
ChemSpider
UNII
  • InChI = 1S / CH2O3 / c2-1 (3) 4 / ч (H2,2,3,4) / p-2
    Ключ: BVKZGUZCCUSVTD-UHFFFAOYSA-L
  • InChI = 1 / CH2O3 / c2-1 (3) 4 / ч (H2,2,3,4) / p-2
    Ключ: BVKZGUZCCUSVTD-NUQVWONBAE
  • C (= O) ([O -]) [O-]
Характеристики
CO2-
3
Молярная масса60,008  г · моль -1
Конъюгированная кислотаБикарбонат
Если не указано иное, данные приведены для материалов в их стандартном состоянии (при 25 ° C [77 ° F], 100 кПа).
Ссылки на инфобоксы

В химии, А карбонат является солью из угольной кислоты2 СО 3 ), [2] характеризуются наличием карбонатного иона , в многоатомном ионе с формулой CO2-
3
. Название может также относиться к карбонатному эфиру , органическому соединению, содержащему карбонатную группу C (= O) (O–) 2 .

Этот термин также используется как глагол для описания карбонизации : процесса повышения концентрации карбонат- и бикарбонат- ионов в воде для производства газированной воды и других газированных напитков - либо путем добавления газообразного диоксида углерода 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 обоих преобладает карбонатный ион CO.2-
3
. Карбонатные минералы чрезвычайно разнообразны и встречаются повсеместно в химически осажденных осадочных породах . Наиболее распространены кальцит или карбонат кальция , СаСО 3 , главный компонент известняка (а также основной компонент раковин моллюсков и скелетов кораллов ); доломит , карбонат кальция и магния CaMg (CO 3 ) 2 ; и сидерит , или карбонат железа (II), FeCO 3 , важная железная руда . Карбонат натрия («сода» или «натрон») иКарбонат калия («поташ») использовался с древних времен для очистки и консервирования, 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.

Структура и связь [ править ]

Карбонат-ион - это простейший оксоуглеродный анион . Он состоит из одного атома углерода, окруженного тремя атомами кислорода , в тригональном плоском расположении с симметрией молекулы D 3h . Он имеет молекулярную массу 60,01  г / моль и несет общий формальный заряд -2. Это сопр женное основание из кислого карбоната (бикарбонат) ион, HCO-
3
, которая является сопряженной базой H
2
CO
3
, угольная кислота .

Структура Льюиса карбонат-иона имеет две (длинные) одинарные связи с отрицательными атомами кислорода и одну короткую двойную связь с нейтральным кислородом.

Эта структура несовместима с наблюдаемой симметрией иона, что означает, что все три связи имеют одинаковую длину и что три атома кислорода эквивалентны. Как и в случае изоэлектронного нитрат- иона, симметрия может быть достигнута за счет резонанса между тремя структурами:

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

Химические свойства [ править ]

Карбонаты металлов обычно разлагаются при нагревании, высвобождая диоксид углерода из долгосрочного углеродного цикла в краткосрочный углеродный цикл и оставляя оксид металла. [2] Этот процесс называется прокаливанием , после того, как окалины , латинское название негашеной или оксид кальция , СаО, который получают путем обжига известняка в печи для обжига извести .

Карбонатная соль образуется, когда положительно заряженный ион M+
, М2+
, или M3+
, связывается с отрицательно заряженными атомами кислорода иона, образуя с ними электростатическое притяжение , образуя ионное соединение :

млн+
+ CO2-
3
M
2
CO
3
M2+
+ CO2-
3
MCO
3
млн3+
+ 3  СО2-
3
M
2
(CO
3
)
3

Большинство карбонатных солей нерастворимы в воде при стандартной температуре и давлении , с константами растворимости менее1 × 10 −8 . Исключение составляют карбонаты лития , натрия , калия и аммония , а также многие карбонаты урана .

В водном растворе карбонат, бикарбонат, диоксид углерода и угольная кислота существуют вместе в динамическом равновесии . В сильно основных условиях преобладает карбонат-ион, тогда как в слабоосновных условиях преобладает бикарбонат- ион. В более кислых условиях водный углекислый газ , CO 2 (водн.), Является основной формой, которая с водой, H 2 O, находится в равновесии с угольной кислотой - равновесие сильно зависит от углекислого газа. Таким образом, карбонат натрия является основным, бикарбонат натрия слабоосновным, а сам диоксид углерода является слабой кислотой.

Газированная вода образуется при растворении CO 2 в воде под давлением. Когда парциальное давление CO 2 снижается, например, когда банка с содовой открыта, равновесие для каждой из форм карбоната (карбоната, бикарбоната, диоксида углерода и угольной кислоты) смещается до тех пор, пока концентрация CO 2 в газе не увеличивается. раствор равен растворимости CO 2 при данной температуре и давлении. В живых системах фермент, карбоангидраза , ускоряет взаимное превращение CO 2 и угольной кислоты.

Хотя карбонатные соли большинства металлов нерастворимы в воде, этого нельзя сказать о бикарбонатных солях. В растворе это равновесие между карбонатом, бикарбонатом, диоксидом углерода и угольной кислотой постоянно изменяется в зависимости от изменяющихся условий температуры и давления. В случае ионов металлов с нерастворимыми карбонатами, такими как CaCO 3 , образуются нерастворимые соединения. Это объясняет накопление накипи внутри труб из-за жесткой воды .

Карбонаты в неорганической номенклатуре [ править ]

Систематическая добавка IUPAC для карбонатного аниона - триоксидокарбонат (2-). [1] : 127 Точно так же цианид- анион CN - называется нитридокарбонатом (1-). [1] : 291 Однако, следуя той же логике для карбоната (4-) ( ортокарбоновая кислота ), по аналогии с силикатом (4-) ( ортокремниевая кислота), в систематической добавочной номенклатуре не имеет смысла, поскольку этот вид никогда не был идентифицирован при нормальных условиях температуры и давления. Ортокарбоновая кислота энергетически намного менее стабильна, чем ортокремниевая кислота, и не может существовать при нормальных условиях из-за энергетически невыгодной орбитальной конфигурации одного центрального атома углерода, связанного с четырьмя атомами кислорода. [1] : 287 [3]

Органические карбонаты [ править ]

В органической химии карбонат также может относиться к функциональной группе в более крупной молекуле, которая содержит атом углерода, связанный с тремя атомами кислорода, один из которых связан двойной связью. Эти соединения также известны как органокарбонаты или сложные карбонатные эфиры и имеют общую формулу ROCOOR 'или RR'CO 3 . Важные органокарбонаты включают диметилкарбонат , циклические соединения этиленкарбонат и пропиленкарбонат и заменитель фосгена, трифосген .

Буфер [ править ]

Он работает как буфер в крови следующим образом: при низком pH концентрация ионов водорода слишком высока, поэтому вы выдыхаете CO 2 . Это заставит уравнение сдвинуться влево, [ требуется дальнейшее объяснение ], по существу уменьшая концентрацию ионов H + , вызывая более щелочной pH.

Когда pH слишком высокий, концентрация ионов водорода в крови слишком низкая, поэтому почки выделяют бикарбонат ( HCO-
3
). Это заставляет уравнение сдвигаться вправо, существенно увеличивая концентрацию ионов водорода, вызывая более кислый pH.

Три важных обратимых реакции контролируют указанный выше баланс pH: [4]

  1. H 2 CO 3 ⇌ H + + HCO-
    3
  1. H 2 CO 3 ⇌ CO 2 + H 2 O
  1. CO 2 (водн.) ⇌ CO 2 (г)

Выдыхаемый CO 2 (г) истощает CO 2 (водный), который, в свою очередь, потребляет H 2 CO 3 , вызывая вышеупомянутый сдвиг, оставшийся в первой реакции по принципу Ле Шателье . По тому же принципу, когда pH слишком высок, почки выделяют бикарбонат ( HCO-
3
) в мочу в виде мочевины через цикл мочевины (или орнитиновый цикл Кребса-Хенселейта). При удалении бикарбоната больше H + образуется из угольной кислоты (H 2 CO 3 ), которая поступает из CO 2 (г), производимого клеточным дыханием .

Что особенно важно, тот же буфер действует в океанах. Это основной фактор изменения климата и долгосрочного углеродного цикла из-за большого количества морских организмов (особенно кораллов), которые образованы из карбоната кальция. Повышенная растворимость карбоната за счет повышения температуры приводит к снижению образования морского кальцита и увеличению концентрации углекислого газа в атмосфере. Это, в свою очередь, увеличивает температуру Земли. Тоннаж CO2-
3
находится в геологическом масштабе, и все они могут быть повторно растворены в море и выброшены в атмосферу, что еще больше повысит уровень CO 2 . [ необходима цитата ]

Карбонатные соли [ править ]

  • Обзор карбонатов:


Присутствие за пределами Земли [ править ]

Обычно считается, что присутствие карбонатов в горных породах является убедительным доказательством присутствия жидкой воды. Недавние наблюдения планетарной туманности NGC 6302 показали наличие карбонатов в космосе [5], где водные изменения, подобные земным, маловероятны. Были предложены другие минералы, которые соответствовали бы наблюдениям.

До недавнего времени карбонатные отложения на Марсе не обнаруживались с помощью дистанционного зондирования или полевых миссий, хотя марсианские метеориты содержат небольшие количества. Подземные воды могли существовать в Гусеве [6] и Меридиани Планум . [7]

См. Также [ править ]

  • Карбонаты крышки
  • Ортокарбоновая кислота , H
    4
    CO
    4
    , или C (OH)
    4
    , гипотетическая нестабильная молекула
  • Оксалат
  • Пероксокарбонат
  • Перкарбонат натрия

Ссылки [ править ]

  1. ^ a b c d Международный союз чистой и прикладной химии (2005 г.). Номенклатура неорганической химии (Рекомендации ИЮПАК 2005 г.). Кембридж (Великобритания): RSC - IUPAC . ISBN  0-85404-438-8 . Электронная версия.
  2. ^ a b Чизхолм, Хью, изд. (1911). «Карбонаты»  . Британская энциклопедия (11-е изд.). Издательство Кембриджского университета.
  3. ^ Аль-Шемали Musstafa; Болдырь Александр I (2002). «Поиск ионных ортокарбонатов: Ab initio исследование Na 4 CO 4 ». J. Phys. Chem. . 106 (38): 8951–8954. DOI : 10.1021 / jp020207 + .
  4. ^ "Архивная копия" . Архивировано из оригинала на 2011-07-21 . Проверено 5 сентября 2010 .CS1 maint: заархивированная копия как заголовок ( ссылка )
  5. ^ Kemper, Ф., Molster, FJ, Jager, С и воды, LBFM (2001) минеральный состав и пространственное распределение пыли выброшенного из NGC 6302. астрономии и астрофизики 394 , 679-690.
  6. ^ Squyres, SW; и другие. (2007). «Пирокластическая активность на домашней плите в кратере Гусева на Марсе» (PDF) . Наука . 316 (5825): 738–742. Bibcode : 2007Sci ... 316..738S . DOI : 10.1126 / science.1139045 . hdl : 2060/20070016011 . PMID 17478719 .  
  7. ^ Squyres, SW; и другие. (2006). «Обзор миссии марсохода Opportunity Mars к Меридиани Планум: от Кратера Орла до Чистилища» (PDF) . Журнал геофизических исследований: планеты . 111 (E12): н / д. Bibcode : 2006JGRE..11112S12S . DOI : 10.1029 / 2006JE002771 . hdl : 1893/17165 .

Внешние ссылки [ править ]

  • Равновесие карбонат / бикарбонат / угольная кислота в воде: pH растворов, буферная емкость, титрование и распределение частиц в зависимости от pH, вычисленное с помощью бесплатной электронной таблицы
  • «Карбонат» . Dictionary.com . Проверено 5 апреля 2014 года .