Carbonato

Un carbonato es una sal del ácido carbónico (H₂CO₃), caracterizada por la presencia del ion carbonato , un ion poliatómico con la fórmula CO2−3 . La palabra carbonato también puede referirse a un éster de carbonato, un compuesto orgánico que contiene el grupo carbonato C(=O)(O–)₂.

El término también se usa como verbo para describir la carbonatación: el proceso de elevar las concentraciones de iones de carbonato y bicarbonato en el agua para producir agua carbonatada y otras bebidas carbonatadas, ya sea mediante la adición de gas de dióxido de carbono bajo presión o mediante la disolviendo sales de carbonato o bicarbonato en el agua.

En geología y mineralogía, el término "carbonato" puede referirse tanto a minerales de carbonato como a roca de carbonato (que está compuesta principalmente de minerales de carbonato), y ambos están dominados por el ion de carbonato, CO 2−3. Los minerales de carbonato son extremadamente variados y ubicuos en las rocas sedimentarias precipitadas químicamente. Los más comunes son la calcita o carbonato de calcio, el CaCO₃, principal constituyente de la caliza (así como el principal componente de las conchas de moluscos y esqueletos de coral); dolomita, un carbonato de calcio y magnesio CaMg(CO₃)₂; y siderita, o carbonato de hierro (II), FeCO₃, un importante mineral de hierro. El carbonato de sodio ("soda" o "natrón") y el carbonato de potasio ("potasa") 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, y más.

Estructura y unión

El ion carbonato es el anión oxocarbonado más simple. Consiste en un átomo de carbono rodeado por tres átomos de oxígeno, en disposición plana trigonal, con simetría molecular D_3h. Tiene una masa molecular de 60,01 g/mol y tiene una carga formal total de -2. Es la base conjugada del ion hidrogenocarbonato (bicarbonato), HCO−3, que es la base conjugada de H₂CO₃, ácido carbónico.

La estructura de Lewis del ion carbonato tiene dos enlaces simples (largos) con átomos de oxígeno negativos y un enlace doble 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 puede lograrse mediante una resonancia entre tres estructuras:

Esta resonancia se puede resumir mediante un modelo con bonos fraccionarios y cargas deslocalizadas:

Propiedades químicas

Los carbonatos metálicos generalmente se descomponen al calentarse, liberando dióxido de carbono del ciclo de carbono a largo plazo al ciclo de carbono a corto plazo y dejando atrás un óxido del metal. Este proceso se denomina calcinación, por calx, nombre en latín de la cal viva u óxido de calcio, CaO, que se obtiene tostando piedra caliza en un horno de cal.

Una sal de carbonato se forma cuando un ion con carga positiva, M⁺, M²⁺, o M³⁺, se asocia con el oxígeno cargado negativamente átomos del ion formando atracciones electrostáticas con ellos, formando un compuesto iónico:

2 M⁺ + CO2 - 23 → M₂CO₃

M²⁺ + CO2 - 23 → MCO₃

2 M³⁺ + 3 CO2 - 23 → M₂(CO₃)₃

La mayoría de las sales de carbonato son insolubles en agua a temperatura y presión estándar, con constantes de solubilidad inferiores a 1×10⁻⁸. Las excepciones incluyen carbonatos de litio, sodio, potasio, rubidio, cesio y amonio, así como muchos carbonatos de uranio.

En solución acuosa, el carbonato, el bicarbonato, el dióxido de carbono y el ácido carbónico existen juntos en un equilibrio dinámico. 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, CO₂(aq), es la forma principal que, con el agua, H₂O, está en equilibrio con el ácido carbónico: el equilibrio se encuentra 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 mismo es un ácido débil.

El agua carbonatada se forma disolviendo CO₂ en agua bajo presión. Cuando se reduce la presión parcial de CO₂, por ejemplo cuando se abre una lata de refresco, el equilibrio para cada una de las formas de carbonato (carbonato, bicarbonato, dióxido de carbono y ácido carbónico) cambia hasta la concentración de CO₂ en la solución es igual a la solubilidad del CO₂ a esa temperatura y presión. En los sistemas vivos, una enzima, la anhidrasa carbónica, acelera la interconversión de CO₂ y ácido carbónico.

Aunque las sales de carbonato de la mayoría de los metales son insolubles en agua, no ocurre lo mismo con las sales de bicarbonato. En solución, este equilibrio entre carbonato, bicarbonato, dióxido de carbono y ácido carbónico cambia constantemente según las condiciones cambiantes de temperatura y presión. En el caso de iones metálicos con carbonatos insolubles, como CaCO3, se produce la formación de compuestos insolubles. Esta es una explicación de la acumulación de incrustaciones dentro de las tuberías causada por el agua dura.

Carbonato en la nomenclatura inorgánica

El nombre IUPAC del aditivo sistemático para el anión carbonato es trioxidocarbonato(2−). De manera similar, el anión de cianuro CN⁻ se denomina nitridocarbonato(1−). Sin embargo, siguiendo la misma lógica para el carbonato(4−) (ácido ortocarbónico), por similitud con el silicato(4−) (ácido ortosilícico), en la nomenclatura aditiva sistemática no tiene sentido ya que esta especie nunca ha sido identificada en condiciones normales de temperatura y presión El ácido ortocarbónico es energéticamente mucho menos estable que el ácido ortosilícico y no puede existir en condiciones normales debido a la configuración orbital energéticamente desfavorable de un solo átomo de carbono central unido a cuatro átomos de oxígeno.

Carbonatos orgánicos

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 doble enlace. Estos compuestos también se conocen como organocarbonatos o ésteres de carbonato, y tienen la fórmula general ROCOOR', o RR'CO₃. Los organocarbonatos importantes incluyen el carbonato de dimetilo, los compuestos cíclicos carbonato de etileno y carbonato de propileno, y el reemplazo del fosgeno, el trifosgeno.

Búfer

Tres reacciones reversibles controlan el equilibrio del pH de la sangre y actúan como un amortiguador para estabilizarlo en el rango de 7,37 a 7,43:

1. H⁺ + HCO−3 ⇌ H₂CO₃
2. H₂CO₃ ⇌ CO₂(aq) + H₂O
3. CO₂(aq) ⇌ CO₂g)

El CO₂(g) exhalado agota el CO₂(aq), que a su vez consume H₂CO_{3, provocando el equilibrio de la primera reacción para tratar de restaurar el nivel de ácido carbónico al hacer reaccionar bicarbonato con un ion hidrógeno, un ejemplo del principio de Le Châtelier. El resultado es hacer que la sangre sea más alcalina (elevar 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 la ornitina de Krebs-Henseleit). Al eliminar el bicarbonato, se genera más H⁺ a partir del ácido carbónico (H2CO3), que proviene del CO2< /sub>(g) producido por la respiración celular.}

De manera crucial, 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. El aumento de la solubilidad del carbonato a través del aumento de las 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 CO2−3 disponible está en una escala geológica y cantidades sustanciales pueden volver a disolverse en el mar y liberarse a la atmósfera, aumentando aún más los niveles de CO₂.

Sales de carbonato

• Sinopsis del carbonato:

Presencia fuera de la Tierra

En general, se piensa que la presencia de carbonatos en la roca es una fuerte evidencia de la presencia de agua líquida. Las observaciones recientes de la nebulosa planetaria NGC 6302 muestran evidencia de carbonatos en el espacio, donde es poco probable una alteración acuosa similar a la de la Tierra. Se han propuesto otros minerales que se ajustarían a las observaciones.

Hasta hace poco, no se habían encontrado depósitos de carbonato en Marte a través de sensores remotos o misiones in situ, aunque los meteoritos marcianos contienen pequeñas cantidades. El agua subterránea pudo haber existido en Gusev y Meridiani Planum.