18.6: La ocurrencia, preparación y propiedades de los carbonatos
Habilidades para desarrollar
- Describir la preparación, las propiedades y los usos de algunos carbonatos metálicos representativos
La química del carbono es extensa; sin embargo, la mayor parte de esta química no es relevante para este capítulo. Los otros aspectos de la química del carbono aparecerán en el capítulo que discute la química orgánica. En este capítulo, nos concentraremos en el ion carbonato y otras sustancias relacionadas. Los metales de los grupos 1 y 2, como el zinc, cadmio, mercurio y plomo (II), forman carbonatos iónicos, compuestos que contienen los aniones carbonato, \(\ce{CO3^2-}\). Los metales del grupo 1, magnesio, calcio, estroncio y bario también forman hidrogenocarbonatos, compuestos que contienen el anión hidrogenocarbonato, \(\ce{HCO3-}\), también conocido como el anión bicarbonato.
Con la excepción del carbonato de magnesio, es posible preparar los carbonatos de los metales de los grupos 1 y 2 usando la reacción de dióxido de carbono con el respectivo óxido o hidróxido. Ejemplos de estas reacciones incluyen:
Los carbonatos de los metales alcalinotérreos del grupo 12 y el plomo (II) no son solubles. Estos carbonatos precipitan al mezclar una solución de carbonato de metal alcalino soluble con una solución de sales solubles de estos metales. Ejemplos de las ecuaciones iónicas netas para las reacciones son:
Las perlas y las conchas de la mayoría de los moluscos son carbonato de calcio. El estaño (II) o uno de los iones trivalentes o tetravalentes como Al 3+ o Sn 4+ se comportan diferentemente en esta reacción como dióxido de carbono y se forma el óxido correspondiente en lugar del carbonato.
Los hidrogenocarbonatos de metales alcalinos como NaHCO 3 y CsHCO 3 se forman por saturando una solución de los hidróxidos con el dióxido de carbono. La reacción iónica neta involucra iones de hidróxido y dióxido de carbono:
\[\ce{OH-}(aq)+\ce{CO2}(aq)⟶\ce{HCO3-}(aq)\]
Es posible aislar los sólidos usando la evaporación del agua de la solución.
Aunque son insolubles en el agua pura, los carbonatos alcalinotérreos se disuelven fácilmente en el agua que contiene dióxido de carbono porque se forman sales de hidrogenocarbonato. Por ejemplo, las cuevas y los sumideros se forman en la piedra caliza cuando el CaCO 3 se disuelve en el agua que contiene dióxido de carbono disuelto:
\[\ce{CaCO3}(s)+\ce{CO2}(aq)+\ce{H2O}(l)⟶\ce{Ca^2+}(aq)+\ce{2HCO3-}(aq)\]
Los carbonatos de hidrógeno de los metales alcalinotérreos permanecen estables sólo cuando están en la solución; la evaporación de la solución produce el carbonato. Las estalactitas y estalagmitas, como las que se muestran en la Figura \(\PageIndex{1}\), se forman en las cuevas cuando las gotas de agua que contienen hidrogenocarbonato de calcio disuelto se evaporan para dejar un depósito de carbonato de calcio.
Figura\(\PageIndex{1}\) : (a) Las estalactitas y (b) las estalagmitas son formaciones de cuevas de carbonato de calcio. (crédito a: modificación del trabajo por Arvind Govindaraj; crédito b: modificación del trabajo por el Servicio de Parques Nacionales.
Los dos carbonatos usados comercialmente en las cantidades más grandes son el carbonato de sodio y el carbonato de calcio. En los Estados Unidos, el carbonato de sodio se extrae del mineral trona, Na 3 (CO 3 )(HCO 3 )(H 2 O) 2 . Después de la recristalización que elimina el barro y otras impurezas, el calentamiento de la trona recristalizada produce Na 2 CO 3 :
\[\ce{2Na3(CO3)(HCO3)(H2O)2}(s)⟶\ce{3Na2CO3}(s)+\ce{5H2O}(l)+\ce{CO2}(g)\]
Los carbonatos son bases moderadamente fuertes. Las soluciones acuosas son básicas porque el ion carbonato acepta el ion hidrógeno del agua en esta reacción reversible:
\[\ce{CO3^2-}(aq)+\ce{H2O}(l)⇌\ce{HCO3-}(aq)+\ce{OH-}(aq)\]
Los carbonatos reaccionan con los ácidos para formar las sales del metal, dióxido de carbono gaseoso y agua. La reacción del carbonato de calcio, el ingrediente activo del antiácido Tums, con el ácido clorhídrico (ácido del estómago), como se muestra en la Figura \(\PageIndex{2}\), ilustra esta reacción:
\[\ce{CaCO3}(s)+\ce{2HCl}(aq)⟶\ce{CaCl2}(aq)+\ce{CO2}(g)+\ce{H2O}(l)\]
Figura\(\PageIndex{2}\): Se muestra la reacción del carbonato de calcio con el ácido clorhídrico. (crédito: Mark Ott)
Otras aplicaciones de los carbonatos incluyen la fabricación del vidrio, donde los iones de carbonato sirven como una fuente de iones de óxido y también de síntesis de óxidos.
Los carbonatos de hidrógeno son anfóteros porque pueden actuar como ácidos débiles y también como bases débiles. Los iones de carbonato de hidrógeno actúan como ácidos y reaccionan con soluciones de hidróxidos solubles para formar un carbonato y el agua:
\[\ce{KHCO3}(aq)+\ce{KOH}(aq)⟶\ce{K2CO3}(aq)+\ce{H2O}(l)\]
Con los ácidos, los hidrogenocarbonatos forman una sal, el dióxido de carbono y el agua. El bicarbonato de sodio (bicarbonato de sodio o bicarbonato de sodio) es un hidrogenocarbonato de sodio. La levadura en polvo contiene bicarbonato de sodio y un ácido sólido como el bitartrato de hidrógeno de potasio (crémor tártaro), KHC 4 H 4 O 6 . Mientras el polvo esté seco, ninguna reacción ocurre. Inmediatamente después de agregar el agua, el ácido reacciona con los iones de hidrogenocarbonato para formar el dióxido de carbono:
\[\ce{HC4H4O6-}(aq)+\ce{HCO3-}(aq)⟶\ce{C4H4O6^2-}(aq)+\ce{CO2}(g)+\ce{H2O}(l)\]
La masa atrapará el dióxido de carbono y hará que se expanda durante el horneado, produciendo la textura característica de los productos horneados.
Resumen
El método habitual para la preparación de los carbonatos de los metales alcalinos y alcalinotérreos es usando la reacción de un óxido o hidróxido con el dióxido de carbono. Otros carbonatos se forman por la precipitación. Los carbonatos metálicos o los hidrogenocarbonatos como la piedra caliza (CaCO 3 ), el antiácido Tums (CaCO 3 ) y el bicarbonato de sodio (NaHCO 3 ) son ejemplos comunes. Los carbonatos y los hidrogenocarbonatos se descomponen en la presencia de los ácidos y la mayoría se descomponen al calentarlos.
Glosario
- anión bicarbonato
- sal del ion hidrogenocarbonato, \(\ce{HCO3-}\)
- carbonato
- sal del anión \(\ce{CO3^2-}\); a veces formado por la reacción de dióxido de carbono con bases
- carbonato de hidrógeno
- sal de ácido carbónico, H 2 CO 3 (que contiene el anión \(\ce{HCO3-}\)) donde se ha reemplazado un átomo de hidrógeno; un carbonato ácido; también conocido como ion bicarbonato
Contribuyentes y atribuciones
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Paul Flowers (Universidad de Carolina del Norte - Pembroke), Klaus Theopold (Universidad de Delaware) y Richard Langley (Stephen F. Austin Universidad del Estado) con autores contribuyentes. Contenido del libro de texto producido por la Universidad de OpenStax tiene licencia de Atribución de Creative Commons Licencia 4.0 licencia. Descarge gratis en http://cnx.org/contents/85abf193-2bd...a7ac8df6@9.110) ."
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Ana Martinez ( amartinez02@saintmarys.edu ) contribuyó a la traducción de este texto.