Un carbonato es una sal del ácido carbónico , H 2 CO 3 , [2] caracterizada por la presencia del ion carbonato , un ion poliatómico de fórmula CO2-3. La palabra "carbonato" también puede referirse a un éster de carbonato , un compuesto orgánico que contiene el grupo carbonato O=C(-O-) 2 .
El término también se usa como verbo para describir la carbonatación : el proceso de elevar las concentraciones de iones carbonato y bicarbonato en el agua para producir agua carbonatada y otras bebidas carbonatadas, ya sea mediante la adición de dióxido de carbono gaseoso bajo presión o disolviendo carbonato o sales de bicarbonato al agua.
En geología y mineralogía , el término "carbonato" puede referirse tanto a minerales carbonato como a roca carbonatada (que está formada principalmente por minerales carbonato), y ambos están dominados por el ion carbonato, CO .2-3. Los minerales carbonatados son extremadamente variados y ubicuos en las rocas sedimentarias precipitadas químicamente . Los más comunes son la calcita o carbonato de calcio , CaCO 3 , principal constituyente de la piedra caliza (así como de las conchas de moluscos y esqueletos de coral ); dolomita , un carbonato de calcio y magnesio CaMg(CO 3 ) 2 ; y siderita , o carbonato de hierro (II) , FeCO 3 , un importante mineral de hierro . El carbonato de sodio ("soda" o "natrón"), Na 2 CO 3 , y el carbonato de potasio ("potasa"), K 2 CO 3 , se han utilizado desde la antigüedad para la limpieza y conservación, así como para la fabricación de vidrio . Los carbonatos se utilizan ampliamente en la industria, como en la fundición de hierro, como materia prima para la fabricación de cemento Portland y cal , en la composición de esmaltes cerámicos , etc. Las nuevas aplicaciones de los carbonatos de metales alcalinos incluyen: almacenamiento de energía térmica, [3] [4] catálisis [5] y electrolitos tanto en tecnología de pilas de combustible [6] como en electrosíntesis de H 2 O 2 en medios acuosos. [7]
El ion carbonato es el anión oxocarbono más simple . Consta de un átomo de carbono rodeado por tres átomos de oxígeno , en una disposición plana trigonal , con simetría molecular D 3h . Tiene una masa molecular de 60,01 g/mol y lleva una carga formal total de −2. Es la base conjugada del ion hidrogenocarbonato (bicarbonato) [8] , HCO−3, que es la base conjugada del H 2 CO 3 , ácido carbónico .
La estructura de Lewis del ion carbonato tiene dos enlaces simples (largos) con átomos de oxígeno negativos y un doble enlace corto con un átomo de oxígeno neutro.
Esta estructura es incompatible con la simetría observada del ion, lo que implica que los tres enlaces tienen la misma longitud y que los tres átomos de oxígeno son equivalentes. Como en el caso del ion nitrato isoelectrónico , la simetría se puede lograr mediante una resonancia entre tres estructuras:
Esta resonancia se puede resumir en un modelo con enlaces fraccionarios y cargas deslocalizadas :
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Los carbonatos metálicos generalmente se descomponen al calentarlos, liberando dióxido de carbono y dejando un óxido del metal. [2] Este proceso se llama calcinación , por calx , nombre latino de la cal viva u óxido de calcio , CaO, que se obtiene tostando piedra caliza en un horno de cal :
Como lo ilustra su afinidad por el Ca 2+ , el carbonato es un ligando para muchos cationes metálicos. Los complejos de carbonato y bicarbonato de metales de transición presentan iones metálicos unidos covalentemente al carbonato en una variedad de modos de enlace.
Los carbonatos de litio , sodio , potasio , rubidio , cesio y amonio son sales solubles en agua, pero los carbonatos de iones 2+ y 3+ suelen ser poco solubles en agua. De los carbonatos metálicos insolubles, el CaCO 3 es importante porque, en forma de incrustaciones , se acumula e impide el flujo a través de las tuberías. El agua dura tiene la fuente de este material.
La acidificación de los carbonatos generalmente libera dióxido de carbono :
Por tanto, las incrustaciones se pueden eliminar con ácido.
En solución, el equilibrio entre carbonato, bicarbonato, dióxido de carbono y ácido carbónico es sensible al pH, la temperatura y la presión. Aunque los carbonatos di y trivalentes tienen baja solubilidad, las sales de bicarbonato son mucho más solubles. Esta diferencia está relacionada con las diferentes energías reticulares de los sólidos compuestos de mono- vs dianiones, así como mono- vs dicaciones.
En solución acuosa participan en un equilibrio dinámico carbonato, bicarbonato, dióxido de carbono y ácido carbónico . En condiciones fuertemente básicas predomina el ion carbonato, mientras que en condiciones débilmente básicas predomina el ion bicarbonato . En condiciones más ácidas, el dióxido de carbono acuoso , CO 2 (aq) , es la forma principal, que, con el agua, H 2 O , está en equilibrio con el ácido carbónico; el equilibrio se inclina fuertemente hacia el dióxido de carbono. Así , el carbonato de sodio es básico, el bicarbonato de sodio es débilmente básico, mientras que el dióxido de carbono en sí es un ácido débil.
En química orgánica, un carbonato también puede referirse a un grupo funcional dentro de una molécula más grande que contiene un átomo de carbono unido a tres átomos de oxígeno, uno de los cuales tiene un doble enlace. Estos compuestos también se conocen como organocarbonatos o ésteres de carbonato y tienen la fórmula general R-O-C(=O)-O-R′ , o RR′CO 3 . Los organocarbonatos importantes incluyen carbonato de dimetilo , los compuestos cíclicos carbonato de etileno y carbonato de propileno , y el sustituto del fosgeno, trifosgeno .
Tres reacciones reversibles controlan el equilibrio del pH de la sangre y actúan como un amortiguador para estabilizarlo en el rango 7,37–7,43: [9] [10]
El CO 2 (g) exhalado agota el CO 2 (aq) , que a su vez consume H 2 CO 3 , lo que provoca que el equilibrio de la primera reacción intente restaurar el nivel de ácido carbónico haciendo reaccionar el bicarbonato con un ion hidrógeno, un ejemplo de Le El principio de Châtelier . El resultado es hacer que la sangre sea más alcalina (aumentar el pH). Por el mismo principio, cuando el pH es demasiado alto, los riñones excretan bicarbonato ( HCO−3) en la orina como urea a través del ciclo de la urea (o ciclo de ornitina de Krebs-Henseleit). Al eliminar el bicarbonato, se genera más H + a partir del ácido carbónico ( H 2 CO 3 ), que proviene del CO 2 (g) producido por la respiración celular . [11]
Fundamentalmente, un amortiguador similar opera en los océanos. Es un factor importante en el cambio climático y el ciclo del carbono a largo plazo, debido a la gran cantidad de organismos marinos (especialmente corales) que están hechos de carbonato de calcio. La mayor solubilidad del carbonato a través del aumento de temperaturas da como resultado una menor producción de calcita marina y una mayor concentración de dióxido de carbono atmosférico. Esto, a su vez, aumenta la temperatura de la Tierra. La cantidad de CO2-3El dióxido de carbono disponible es a escala geológica y es posible que cantidades sustanciales eventualmente se disuelvan en el mar y se liberen a la atmósfera, aumentando aún más los niveles de CO 2 . [12]
Generalmente se piensa que la presencia de carbonatos en la roca es una fuerte evidencia de la presencia de agua líquida. Observaciones recientes de la nebulosa planetaria NGC 6302 muestran evidencia de carbonatos en el espacio, [13] donde es poco probable una alteración acuosa similar a la de la Tierra. Se han propuesto otros minerales que encajarían con las observaciones.
Hasta hace poco, no se habían encontrado depósitos de carbonato en Marte mediante sensores remotos o misiones in situ, a pesar de que los meteoritos marcianos contienen pequeñas cantidades. Es posible que haya existido agua subterránea en Gusev [14] y Meridiani Planum . [15]
