18.6 Tilvist, framleiðsla og eiginleikar karbónata

Efnafræði kolefnis er umfangsmikil, en stærstur hluti hennar á ekki við í þessum kafla. Aðrir þættir efnafræði kolefnis verða teknir fyrir í kaflanum um lífræna efnafræði. Í þessum kafla munum við einbeita okkur að karbónatjóninni og skyldum efnum. Málmar í hópum 1 og 2, ásamt sinki, kadmíum, kvikasilfri og blýi(II), mynda jónísk karbónöt (e. carbonates) – efnasambönd sem innihalda karbónatanjónir, ${{{\text{CO}}}_{3}^{{2−}}.}$ . Málmar í hópi 1, magnesíum, kalsíum, strontíum og baríum mynda einnig vetniskarbónöt (e. hydrogen carbonates) – efnasambönd sem innihalda vetniskarbónatanjónina, ${{{\text{HCO}}}_{3}^{\text{−}}\text{,}}$ , einnig þekkt sem tvíkarbónatanjónin (e. bicarbonate anion).

Að undanskildu magnesíumkarbónati er hægt að framleiða karbónöt málma í hópum 1 og 2 með efnahvarfi koldíoxíðs við viðkomandi oxíð eða hýdroxíð. Dæmi um slík efnahvörf eru:

{Na}_{2} O (s) + {CO}_{2} (g) ⟶ {Na}_{2} {CO}_{3} (s)

Ca {(OH)}_{2} (s) + {CO}_{2} (g) ⟶ {CaCO}_{3} (s) + H_{2} O (l)

Karbónöt jarðalkalímálma í hópi 12 og blý(II) eru ekki auðleyst. Þessi karbónöt falla út þegar lausn af auðleystu alkalímálmkarbónati er blandað saman við lausn af auðleystum söltum þessara málma. Dæmi um nettó jónajöfnur fyrir efnahvörfin eru:

{Ca}^{2+} (a q) + {CO}_{3}^{2−} (a q) ⟶ {CaCO}_{3} (s)

{Pb}^{2+} (a q) + {CO}_{3}^{2−} (a q) ⟶ {PbCO}_{3} (s)

Perlur og skeljar flestra lindýra eru kalsíumkarbónat. Tin(II) eða ein af þrígildu eða fergildu jónunum eins og Al³⁺ eða Sn⁴⁺ hegða sér öðruvísi í þessu efnahvarfi þar sem koldíoxíð og samsvarandi oxíð myndast í stað karbónatsins.

Alkalímálmvetniskarbónöt eins og NaHCO₃ og CsHCO₃ myndast með því að metta lausn af hýdroxíðunum með koldíoxíði. Nettó jónahvarfið felur í sér hýdroxíðjón og koldíoxíð:

{OH}^{−} (a q) + {CO}_{2} (a q) ⟶ {HCO}_{3}^{−} (a q)

Hægt er að einangra föstu efnin með því að gufa vatnið upp úr lausninni.

Þrátt fyrir að vera torleyst í hreinu vatni leysast jarðalkalíkarbónöt auðveldlega upp í vatni sem inniheldur koldíoxíð vegna þess að vetniskarbónatsölt myndast. Til dæmis myndast hellar og jarðföll í kalksteini þegar CaCO₃ leysist upp í vatni sem inniheldur uppleyst koldíoxíð:

{CaCO}_{3} (s) + {CO}_{2} (a q) + H_{2} O (l) ⟶ {Ca}^{2+} (a q) + {2HCO}_{3}^{−} (a q)

Vetniskarbónöt jarðalkalímálma eru aðeins stöðug í lausn; uppgufun lausnarinnar framleiðir karbónatið. Stalaktítar og stalagmítar, eins og þeir sem sýndir eru á Mynd 18.30, myndast í hellum þegar dropar af vatni sem innihalda uppleyst kalsíumvetniskarbónat gufa upp og skilja eftir sig útfellingu af kalsíumkarbónati.

Two photographs are shown and labeled, “a” and “b.” Photo a shows stalactites clinging to the ceiling of a cave while photo b shows a stalagmite growing from the floor of a cave. — Mynd 18.30 (a) Stalaktítar og (b) stalagmítar eru hellamyndanir úr kalsíumkarbónati. (heimild a: breytt útgáfa af verki eftir Arvind Govindaraj; heimild b: breytt útgáfa af verki eftir National Park Service.)

Þau tvö karbónöt sem notuð eru í stærstum mæli í viðskiptum eru natríumkarbónat og kalsíumkarbónat. Í Bandaríkjunum er natríumkarbónat unnið úr steinefninu trona, Na₃(CO₃)(HCO₃)(H₂O)₂. Eftir endurkristöllun til að fjarlægja leir og önnur óhreinindi er endurkristallað trona hitað til að framleiða Na₂CO₃:

{2Na}_{3} ({CO}_{3}) ({HCO}_{3}) {(H_{2} O)}_{2} (s) ⟶ {3Na}_{2} {CO}_{3} (s) + {5H}_{2} O (l) + {CO}_{2} (g)

Karbónöt eru meðalsterkir basar. Vatnslausnir eru basískar vegna þess að karbónatjónin tekur við vetnisjón frá vatni í þessu afturkræfa efnahvarfi:

{CO}_{3}^{2−} (a q) + H_{2} O (l) ⇌ {HCO}_{3}^{−} (a q) + {OH}^{−} (a q)

Karbónöt hvarfast við sýrur og mynda sölt málmsins, loftkennt koldíoxíð og vatn. Efnahvarf kalsíumkarbónats, virka efnisins í magasýrulyfinu Tums, við saltsýru (magasýru), eins og sýnt er á Mynd 18.31, sýnir efnahvarfið:

A photograph of a watch glass full of a white solid is shown. A plastic pipette drips a colorless liquid into the solid, causing bubbles. — Mynd 18.31 Sýnt er efnahvarf kalsíumkarbónats við saltsýru. (heimild: Mark Ott)

{CaCO}_{3} (s) + 2HCl (a q) ⟶ {CaCl}_{2} (a q) + {CO}_{2} (g) + H_{2} O (l)

Önnur notkun karbónata felur í sér glergerð – þar sem karbónatjónir þjóna sem uppspretta oxíðjóna – og myndun oxíða.

Vetniskarbónöt eru amfóterísk vegna þess að þau virka bæði sem veikar sýrur og veikir basar. Vetniskarbónatjónir virka sem sýrur og hvarfast við lausnir af auðleystum hýdroxíðum til að mynda karbónat og vatn:

{KHCO}_{3} (a q) + KOH (a q) ⟶ K_{2} {CO}_{3} (a q) + H_{2} O (l)

Með sýrum mynda vetniskarbónöt salt, koldíoxíð og vatn. Matarsódi (bicarbonate of soda eða natríumbíkarbónat) er natríumvetniskarbónat. Lyftiduft inniheldur matarsóda og fasta sýru eins og kalíumvetnistartrat (vínsteinn), KHC₄H₄O₆. Svo lengi sem duftið er þurrt verður ekkert efnahvarf; strax eftir að vatni er bætt við hvarfast sýran við vetniskarbónatjónirnar og myndar koldíoxíð:

{HC}_{4} H_{4} O_{6}^{−} (a q) + {HCO}_{3}^{−} (a q) ⟶ C_{4} H_{4} O_{6}^{2−} (a q) + {CO}_{2} (g) + H_{2} O (l)

Deig mun fanga koldíoxíðið, sem veldur því að það þenst út við bakstur og myndar þá áferð sem er einkennandi fyrir bakaðar vörur.

Námsmarkmið