18.6 Распространённость, получение и свойства карбонатов (Occurrence, Preparation, and Properties of Carbonates)

Цели обучения

К концу этого раздела вы сможете:

• описывать получение, свойства и применение типичных карбонатов металлов.

Химия углерода обширна, однако большая её часть выходит за рамки этой главы; остальные стороны химии углерода рассмотрены в главе, посвящённой органической химии. Здесь мы сосредоточимся на карбонат-ионе и связанных с ним веществах. Металлы групп 1 и 2, а также цинк, кадмий, ртуть и свинец(II) образуют ионные карбонаты (carbonates) — соединения, содержащие карбонат-анионы \(\ce{CO3^{2-}}\). Металлы группы 1, а также магний, кальций, стронций и барий образуют ещё и гидрокарбонаты (hydrogen carbonates) — соединения, содержащие гидрокарбонат-анион \(\ce{HCO3-}\), который называют также бикарбонат-анионом (bicarbonate anion).

За исключением карбоната магния, карбонаты металлов групп 1 и 2 можно получить реакцией углекислого газа с соответствующим оксидом или гидроксидом. Примеры таких реакций:

\[ \ce{Na2O(s) + CO2(g) -> Na2CO3(s)} \]

\[ \ce{Ca(OH)2(s) + CO2(g) -> CaCO3(s) + H2O(l)} \]

Карбонаты щёлочноземельных металлов, металлов группы 12 и свинца(II) нерастворимы. Они выпадают в осадок при смешивании раствора растворимого карбоната щелочного металла с раствором растворимой соли соответствующего металла. Примеры кратких ионных уравнений таких реакций:

\[ \ce{Ca^{2+}(aq) + CO3^{2-}(aq) -> CaCO3(s)} \]

\[ \ce{Pb^{2+}(aq) + CO3^{2-}(aq) -> PbCO3(s)} \]

Жемчуг и раковины большинства моллюсков состоят из карбоната кальция. Олово(II) и трёх- или четырёхвалентные ионы, такие как \(\ce{Al^{3+}}\) или \(\ce{Sn^{4+}}\), в этой реакции ведут себя иначе: вместо карбоната образуется углекислый газ и соответствующий оксид металла.

Гидрокарбонаты щелочных металлов, такие как \(\ce{NaHCO3}\) и \(\ce{CsHCO3}\), образуются при насыщении раствора гидроксида углекислым газом. Краткое ионное уравнение реакции — это взаимодействие гидроксид-иона с углекислым газом:

\[ \ce{OH^{-}(aq) + CO2(g) -> HCO3^{-}(aq)} \]

Твёрдый гидрокарбонат можно выделить упариванием воды из раствора.

Карбонаты щёлочноземельных металлов нерастворимы в чистой воде, однако легко растворяются в воде, содержащей углекислый газ, так как при этом образуются растворимые гидрокарбонатные соли. Например, пещеры и карстовые провалы возникают в известняке там, где \(\ce{CaCO3}\) растворяется в воде с растворённым углекислым газом:

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

Гидрокарбонаты щёлочноземельных металлов устойчивы только в растворе; при упаривании раствора они снова переходят в карбонат. Сталактиты и сталагмиты, подобные показанным на рис. 18.30, образуются в пещерах, когда капли воды с растворённым гидрокарбонатом кальция испаряются, оставляя осадок карбоната кальция.

Рис. 18.30. (a) Сталактиты и (b) сталагмиты — пещерные образования из карбоната кальция. (Источник a: модификация работы Arvind Govindaraj; источник b: модификация работы National Park Service.)

Два карбоната, применяемых в промышленности в наибольших количествах, — это карбонат натрия и карбонат кальция. В США карбонат натрия добывают из минерала троны (trona) состава \(\ce{Na3(CO3)(HCO3)(H2O)2}\). После перекристаллизации, освобождающей сырьё от глины и других примесей, перекристаллизованную трону нагревают и получают \(\ce{Na2CO3}\):

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

Карбонаты — это основания умеренной силы. Их водные растворы имеют щелочную реакцию, потому что карбонат-ион принимает ион водорода от молекулы воды в обратимой реакции:

\[ \ce{CO3^{2-}(aq) + H2O(l) <=> HCO3^{-}(aq) + OH^{-}(aq)} \]

Карбонаты реагируют с кислотами, давая соль металла, газообразный углекислый газ и воду. Реакция карбоната кальция — активного компонента антацида Tums — с соляной кислотой (желудочной кислотой), показанная на рис. 18.31, иллюстрирует это превращение:

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

Рис. 18.31. Реакция карбоната кальция с соляной кислотой. (Источник: Mark Ott.)

Другие применения карбонатов — производство стекла, где карбонат-ионы служат источником оксид-ионов, и синтез оксидов.

Гидрокарбонаты амфотерны: они проявляют свойства и слабых кислот, и слабых оснований. Как кислоты гидрокарбонат-ионы реагируют с растворами растворимых гидроксидов, образуя карбонат и воду:

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

С кислотами гидрокарбонаты образуют соль, углекислый газ и воду. Пищевая сода (питьевая сода, или бикарбонат натрия) — это гидрокарбонат натрия. Разрыхлитель теста содержит пищевую соду и твёрдую кислоту, например гидротартрат калия (винный камень) \(\ce{KHC4H4O6}\). Пока порошок сухой, реакция не идёт; сразу после добавления воды кислота реагирует с гидрокарбонат-ионами и образуется углекислый газ:

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

Тесто удерживает выделяющийся углекислый газ, расширяясь при выпекании и образуя характерную пористую структуру хлебобулочных изделий.