Carbonat

Els carbonats, en química inorgànica, són sals de l'àcid carbònic (H₂CO₃) o èsters amb el grup R-O-C(=O)-O-R'. En química orgànica els carbonats són èsters de l'hipotètic àcid carbònic. Es poden formar a partir de fosgen (Cl₂C=O) i l'alcohol corresponent. Les sals tenen en comú l'anió CO₃^2- i es deriven de l'àcid carbònic H₂CO₃. Segons l'acidesa o alcalinitat de la dissolució estan en equilibri amb l'hidrogencarbonat i el diòxid de carboni.

Carbonat

Model d'un anió carbonat
Substància química	classe estructural d'entitats químiques
Estructura química
Fórmula química	CO₃2-
Nom sistemàtic de la IUPAC	Carbonat / Trioxidocarbonat[1]
SMILES canònic	C(=O)([O-])[O-]
Identificador InChI	InChI=1S/CH2O3/c2-1(3)4/h(H2,2,3,4)/p-2 Clau: BVKZGUZCCUSVTD-UHFFFAOYSA-L

En geologia i mineralogia, els carbonats refereixen tant als minerals carbonats com a les roques carbonatades, formades principalment per minerals carbonats; tant les roques com els minerals presenten l'ió CO₃^2- com a ió principal. Els minerals carbonats són molt comuns en la superfície terrestre, sent els més abundants, la calcita, la dolomita, l'aragonita o la siderita, entre d'altres. Les roques carbonatades més comunes són d'origen sedimentari com ara les roques calcàries o dolomites, malgrat que també poden tenir origen ígni com les carbonatites.

Els policarbonats basats en dialcohols com el 2,2-bis(4-hidroxifenil)-propà (HOC₆H₄-C(CH₃)₂-C₆H₄OH) tenen importància en la industrial com a matèria primera per a fabricar CD's o com substitut del vidre.

Un carbonat de recent descobriment, la putnisita, també conté l'anió sulfat, per la qual cosa encara no està clara la seva classificació definitiva.^[2]

Descripció

Els carbonats en la naturalesa són formats a partir de l'àcid carbònic en solució aquosa derivat de la dissolució del diòxid de carboni en aigua i en la qual una petita fracció forma àcid carbònic segons la reacció:

CO₂ + H₂O ↔ H₂CO₃

Aquesta reacció és molt lenta, i per això part del CO₂ dissolt en aigua no està en forma d'àcid carbònic. L'àcid carbònic es troba en equilibri amb l'anió bicarbonat i l'anió carbonat segons les següents equacions:

H₂CO₃ + H₂O ↔ HCO₃^- + H₃O⁺ (K₁ = 2· 10⁻⁴)

i

HCO₃^- + H₂O ↔ CO₃^2- (K₂ = 4,8· 10⁻¹¹)

Durant molts anys es va pensar que en l'ió carbonat únicament dos oxígens portaven la càrrega negativa. Els estudis cristal·logràfics de la calcita realitzats per W.L. Bragg mitjançant raigs-X van revelar que els tres enllaços C-O eren idèntics.^[3] Aquesta observació requeria una nova estructura i no va ser fins al desenvolupament de la teoria de ressonància que en 1931 es va proposar una nova estructura en la qual cada oxigen compartia 2/3 de la càrrega negativa i en la qual els enllaços eren parcials, és a dir a mig camí entre simples i dobles:

Ressonància de l'ió carbonat

D'aquesta manera l'ió carbonat té geometria planar amb una longitud d'enllaç C-O d'1,29 Å, compresa entre l'enllaç senzill (1,34 Å) i el doble (1,20 Å). Cada enllaç C-O està format per un enllaç senzill σ i una fracció de 2/3 d'un enllaç π.^[4] L'ió carbonat és un dels més senzills dels ions oxocarbonats.

Carbonats com a formadors de roques

Els carbonats són un component fonamental en la formació de les roques carbonatades, és a dir, aquelles en les quals els minerals carbonats, habitualment calcita i dolimita, superen el 50% del material. Per tal que les roques siguin considerades carbonatades, cal que aquest 50% de carbonat no inclogui el ciment.^[5] En cas de tenir ciment carbonatat, és possible que s'estigués davant una roca formada per processos de carbonatació, és a dir, una roca que ha sofert un procés epigenètic amb introducció de minerals carbonats que, o bé reemplacen els minerals preexisten, o en canvi, omplen espais intersticials.^[6]

Les roques amb un contingut rellevant de carbonat poden ser tant sedimentàries, com ígnies o metamòrfiques, malgrat que les primeres són les més abundants i conegudes. Entre les roques sedimentàries, destaquen les calcàries (formades principalment per calcita) o les dolomies (formades majoritàriament per dolomita). Entre les ígnies, destaquen les carbonatites, que contenen més d'un 50% de carbonat d'origen magmàtic^[7] i entre les metamòrfiques, destaquen els marbres, roques abundants i molt emprades en construcció.^[8]

Aplicacions

Els carbonats s'apliquen en multitud de camps. Els minerals com la calcita i la dolomia són importants en la fabricació de ciment i pedra de construcció.^[9] Sovint la seva utilització va lligada al compost concret com l'obtenció de calç viva (CaO) del carbonat càlcic. Altres minerals carbonats constitueixen menes de metalls: witherita de bari; estroncianita d'estronci; siderita de ferro; rodocrosita de manganès; smithsonita de zinc, i cerusita de plom.^[9]

Un dels carbonats més importants industrialment és el carbonat sòdic. En la naturalesa es troba en algunes llacunes salines, per exemple, a Egipte, encara que la gran majoria s'obté a partir de la calç en el procés Solvay. És un intermedi en l'obtenció de productes tan dispars com el sabó, el percarbonat sòdic utilitzat com blanquejant, el vidre, la sosa (NaOH), etc.

Les cendres de fusta també es componen en gran manera de carbonats. Aquests han donat fins i tot el nom a un element, el potassi (K) de l'anglès "pot ash = cendra sota la caldera", ja que s'obtenia habitualment d'aquesta font.

A causa del seu caràcter com a sals d'un àcid feble els carbonats s'utilitzen també com a bases barates. En aquesta aplicació s'allibera diòxid de carboni i en dissolució es queda la sal formada pel metall que estava unit al carbonat i la resta de l'àcid neutralitzat:

MCO₃ + 2HX → H₂O + CO₂ + MX₂

On M és un metall, com el calci o magnesi i X l'anió d'un àcid. D'aquesta manera el carbonat càlcic en aigua alliberaria anhídrid carbònic i hidròxid càlcic donant lloc a solucions bàsiques segons els següents equilibris químics:

(1) CaCO₃ + H₂O → HCO₃^- + Ca(OH)⁺

(2) HCO₃^- + H₂O+ Ca(OH)⁺ → H₂CO₃ + Ca(OH)₂ i l'àcid carbònic en aigua es descompon alliberant diòxid de carboni segons:

(3) H₂CO₃ → H₂O + CO₂

Aquesta reacció és l'empleada en la detecció de carbonats a causa de la seva efervescència característica en la qual s'allibera aigua i anhídrid carbònic.^[10] Existeixen diversos mètodes de quantificació dels carbonats presents en una mostra, mitjançant la quantificació del CO₂ després. Alguns inclouen el pas del CO₂ després per una solució aquosa d'hidròxid de bari, i la quantificació del carbonat de bari precipitat, mentre que uns altres com la calcimetria "de Bernard"^[11] consisteixen en la detecció volumètrica del diòxid de carboni.

Agregat de macles pseudohexagonals d'aragonita d'uns 4 cm. L'aragonita és un mineral de carbonat càlcic amb estructura cristal·lina ortoròmbica.

El carbonat càlcic forma part de la formulació de les pastes dentals.

Minerals

Existeixen uns 80 minerals carbonats, la majoria rars.^[9] Així i tot, mentre els nitrats i els borats són minerals escassos en la naturalesa els carbonats més simples són bastant abundants. Formen part de la composició química de nombroses roques sent el component essencial de calcàries, dolometes i marbres cristal·lins. A més són menes de nombrosos metalls.^[12] Els minerals més importants del grup dels carbonats són la calcita, l'aragonita (CaCO₃), i la dolomia (MgCa(CO₃)₂). Altres importants són la smithsonita (ZnCO₃), la rodocrosita (MnCO₃) i la magnesita (MgCO₃). Aquests s'agrupen en subgrups denominats grup de la calcita (sistema trigonal), el grup de l'aragonita (sistema ortoròmbic) i els grups de la dolomia (trigonal) i dels carbonats monoclínics com la malaquita (Cu₂CO₃(OH)₂) i l'atzurita (Cu₃(CO₃)₂(OH)₂), amb presència d'ions hidròxid en la seva estructura.^[10]

Els carbonats solen presentar-se en forma de minerals com la calcita en els quals se'l calci pot estar substituït per ions Mn²⁺, Fe²⁺ o Mg²⁺, en sèries isomorfes que s'exenen des de la (I) siderita (FeCO₃) fins a la magnesita (MgCO₃) passant per l'ankerita (FeCa(CO₃)₂) i la dolomia (MgCa(CO₃)₂); (II) des de la magnesita i siderita fins a la rodocrosita (MnCO₃) i (III) des de la dolomia i ankerita fins a la kutnahorita.^[10],[13]

Isomorfs

Els carbonats solen tenir una duresa mitjana amb valors de típics de 3 - 5 a l'escala de Mohs.^[14]

Sals carbonatades

En la següent taula periòdica s'ordenen les sals carbonatades segons els elements corresponents, amb indicació del seu pes molecular (g/mol). A més dels carbonats indicats en la taula periòdica següent també existeixen uns altres com el carbonat amònic (NH₄)₂CO₃ i el bicarbonat d'amoni (NH₄)HCO₃.

63, 03 H2CO3

He

73,89 Li2CO3

69,02 BeCO3

B

C

N

O

F

Ne

105,99 Na2CO3

84,31 MgCO3

233,99 Al2(CO3)3

Si

P

S

Cl

Ar

138,20 K2CO3

100,87 CaCO3

Sc

Tu

V

Cr

114,95 MnCO3

115,84 FeCO3

118,94 CoCO3

118,70 NiCO3

123,55 CuCO3

125,38 ZnCO3

Ga

Ge

As

Es

Br

Kr

230,94 Rb2CO3

147,63 SrCO3

I

Zr

Nb

Mo

Tc

Ru

Rh

Pd

275,74 Ag2CO3

176,41 CdCO3

In

Sn

Sb

Et

I

Xe

325,82 Cs2CO3

197,34 BaCO3

✶

Hf

Ta

W

Re

Us

Ir

Pt

Au

Hg

468,77 Tl2CO3

267,21 PbCO3

Bi

Po

At

Rn

Fr

Ra

◘

Rf

Db

Sg

Bh

Hs

Mt

Ds

Rg

Cn

Nh

Fl

Mc

Lv

Ts

Og

✶

Lantánidos

457,84 La2(CO3)3

Ce

Pr

Nd

Pm

Sm

Eu

Gd

Tb

Dy

Ho

Er

Tm

Yb

Dl.

◘

Actínids

89 Ac

90 Th

91 Pa

92 O

93 Np

94 Pu

95 Am

96 Cm

97 Bk

98 Cf

99 Es

100 Fm

101 Md

102 No

103 Lr

Alcalins	Alcalinoterris	Lantànids	Actínids	Metalls de transició
Metalls del bloc p	Metal·loides	No metalls	Halogens	Gasos nobles i Transactínids

Química

La química del carbonat i els equilibris químics dels seus ions derivats juguen un paper fonamental en la formació dels paisatges calcaris o carsts com el de la Ciutat Encantada de Conca, Castella - la Manxa

Com s'ha comentat més amunt, els carbonats reaccionen amb els àcids alliberant aigua i diòxid de carboni. Per al cas del carbonat càlcic:

CaCO₃ + 2HCl → CaCl₂ + H₂O + CO₂

Les sals carbòniques es formen en medis aquosos en els quals existeixen cations metàl·lics dissolts i en els quals s'infon un corrent de diòxid de carboni. Aquest procés s'esquematitza mitjançant les següents reaccions:

1) CO₂ (g) + H₂O → H₂CO₃ (acu.)

2) H₂CO₃↔ H⁺ + HCO₃^-

3) HCO₃^- ↔ H⁺ + CO₃^2-

Al seu torn cations metàl·lics amb càrregues positives, M⁺, M²⁺ o M³⁺ reaccionessin amb l'anió carbonat per a donar les següents sals:

4) 2M⁺ + CO₃^2- → M₂CO₃

5) M²⁺ + CO₃^2- → MCO₃

6) 2M³⁺ + 3CO₃^2- → M₂(CO₃)₃

La reacció (5) és el cas de la formació de dipòsits calcaris o carst en formes d'estalactites, estalagmites o incrustacions en zones riques en calcàries i roques carbonatades:

Ca²⁺(acu.) + CO₃^2- → CaCO₃ (s)

Estabilitat tèrmica

Els carbonats es descomponen tèrmicament desprenent diòxid de carboni i donant lloc a l'òxid metàl·lic corresponent segons la següent reacció:

M₂CO₃ → M₂O + CO₂ (cations alcalins: Li⁺, Na⁺, K⁺, Rb⁺, Cs⁺)

MCO₃ → MO + CO₂ (cations alcalinoterris: Be²⁺, Mg²⁺, Ca²⁺, Sr²⁺, Ba²⁺, Ra²⁺)

L'estabilitat tèrmica dels carbonats creix amb la grandària dels cations que els componen.^[4] D'aquesta manera per a un període donat l'estabilitat creix amb el grup (alcalinoterris> alcalins) i per a un grup donat augmenta segons descendim: MgCO₃ (400 °C), CaCO₃ (900 °C), SrCO₃ (1.290 °C), BaCO₃ (1.360 °C).^[15] Al procés de descomposició de la calcita se'l denomina calcinació, derivat del procés d'obtenció de calç viva a partir del carbonat càlcic:

CaCO₃ → CaO + CO₂ (g)

Carbonats orgànics

Els carbonats orgànics són èsters de l'àcid carbònic. Es poden formar a partir de fosgen (Cl₂C=O) i l'alcohol corresponent.

Especialment, els policarbonats basats en dialcohols com el 2,2-bis(4-hidroxifenil)-propà (HOC₆H₄-C(CH₃)₂-C₆H₄OH) han adquirit importància com a materials altament transparents en la fabricació dels CD o com a substitut del vidre.