18.6: Ocurrencia, preparación y propiedades de los carbonatos

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Objetivos de aprendizaje

Describir la preparación, propiedades y 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 demás aspectos de la química del carbono aparecerán en el capítulo que abarca la química orgánica. En este capítulo, nos centraremos en el ion carbonato y sustancias relacionadas. Los metales de los grupos 1 y 2, así como 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 anión bicarbonato.

A excepción del carbonato de magnesio, es posible preparar carbonatos de los metales de los grupos 1 y 2 mediante la reacción del dióxido de carbono con el óxido o hidróxido respectivo. Ejemplos de tales reacciones incluyen:

\[ \begin{align} \ce{Na2O}(s)+\ce{CO2}(g) &⟶ \ce{Na2CO3}(s)\\[4pt] \ce{Ca(OH)2}(s)+\ce{CO2}(g) &⟶\ce{CaCO3}(s)+\ce{H2O}(l) \end{align} \nonumber \]

Los carbonatos de los metales alcalinotérreos del grupo 12 y 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 ecuaciones iónicas netas para las reacciones son:

\[ \begin{align} \ce{Ca^2+}(aq)+\ce{CO3^2-}(aq) &⟶\ce{CaCO3}(s) \\[4pt] \ce{Pb^2+}(aq)+\ce{CO3^2-}(aq) &⟶\ce{PbCO3}(s) \end{align} \nonumber \]

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 de manera diferente en esta reacción como dióxido de carbono y la forma de óxido correspondiente en lugar del carbonato.

Los hidrogenocarbonatos de metales alcalinos como NaHCO ₃ y CShCO ₃ se forman saturando una solución de los hidróxidos con dióxido de carbono. La reacción iónica neta involucra ión hidróxido y dióxido de carbono:

\[\ce{OH-}(aq)+\ce{CO2}(aq)⟶\ce{HCO3-}(aq) \nonumber \]

Es posible aislar los sólidos por evaporación del agua de la solución.

Aunque son insolubles en agua pura, los carbonatos alcalinotérreos se disuelven fácilmente en agua que contiene dióxido de carbono porque se forman sales de hidrogenocarbonato. Por ejemplo, se forman cuevas y sumideros en piedra caliza cuando CaCo ₃ se disuelve en agua que contiene dióxido de carbono disuelto:

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

Los hidrogenocarbonatos de los metales alcalinotérreos permanecen estables solo en 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 cuevas cuando gotas de agua que contienen hidrogenocarbonato de calcio disuelto se evaporan para dejar un depósito de carbonato de calcio.

alt — Figura\(\PageIndex{1}\): (a) Las estalactitas y (b) las estalagmitas son formaciones de cuevas de carbonato de calcio. (crédito a: modificación de obra por Arvind Govindaraj; crédito b: modificación de obra por parte del Servicio de Parques Nacionales.)

Los dos carbonatos utilizados comercialmente en las mayores cantidades son el carbonato de sodio y el carbonato de calcio. En 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 para eliminar la arcilla y otras impurezas, calentar la trona recristalizada produce Na ₂ CO ₃:

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

Los carbonatos son bases moderadamente fuertes. Las soluciones acuosas son básicas porque el ion carbonato acepta iones hidrógeno del agua en esta reacción reversible:

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

Los carbonatos reaccionan con ácidos para formar sales del metal, dióxido de carbono gaseoso y agua. La reacción del carbonato de calcio, el ingrediente activo del antiácido Tums, con ácido clorhídrico (ácido estomacal), como se muestra en la Figura\(\PageIndex{2}\), ilustra la reacción:

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

alt — Figura\(\PageIndex{2}\): Se muestra la reacción del carbonato de calcio con ácido clorhídrico. (crédito: Mark Ott)

Otras aplicaciones de los carbonatos incluyen la fabricación de vidrio, donde los iones carbonato sirven como fuente de iones óxido, y la síntesis de óxidos.

Los hidrogenocarbonatos son anfóteros porque actúan como ácidos débiles y bases débiles. Los iones hidrogenocarbonato actúan como ácidos y reaccionan con soluciones de hidróxidos solubles para formar un carbonato y agua:

\[\ce{KHCO3}(aq)+\ce{KOH}(aq)⟶\ce{K2CO3}(aq)+\ce{H2O}(l) \nonumber \]

Con los ácidos, los hidrogenocarbonatos forman una sal, dióxido de carbono y agua. El bicarbonato de sodio (bicarbonato de sodio o bicarbonato de sodio) es hidrogenocarbonato de sodio. El polvo de hornear contiene bicarbonato de sodio y un ácido sólido como hidrógeno tartrato de potasio (crema de sarro), KHC ₄ H ₄ O ₆. Mientras el polvo esté seco, no se produce ninguna reacción; inmediatamente después de la adición de agua, el ácido reacciona con los iones hidrogenocarbonato para formar dióxido de carbono:

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

La masa atrapará el dióxido de carbono, haciendo que se expanda durante la cocción, 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 por reacción de un óxido o hidróxido con dióxido de carbono. Otros carbonatos se forman por precipitación. Los carbonatos metálicos o hidrogenocarbonatos como la piedra caliza (CaCo ₃), el antiácido Tums (CaCo ₃) y el bicarbonato de sodio (NaHCO ₃) son ejemplos comunes. Los carbonatos e hidrogenocarbonatos se descomponen en presencia de ácidos y la mayoría se descomponen al calentarse.

Glosario

anión bicarbonato: sal del ión hidrogenocarbonato,\(\ce{HCO3-}\)

carbonato: sal del anión\(\ce{CO3^2-}\); a menudo formada por la reacción del dióxido de carbono con bases

carbonato de hidrógeno: sal de ácido carbónico, H ₂ CO ₃ (que contiene el anión\(\ce{HCO3-}\)) en la que se ha reemplazado un átomo de hidrógeno; un carbonato ácido; también conocido como ion bicarbonato