Карбонаты - многочисленная группа минералов, которые имеют широкое распространение. К минералам класса карбонатов относятся соли угольной кислоты, чаще всего это соли кальция, магния, натрия, меди. Всего в этом классе известно около 100 минералов. Некоторые из них очень широко распространены в природе, например кальцит и доломит.

В структурном отношении все карбонаты относятся к одному основному типу - анионы 2- представляют собой изолированные радикалы в форме плоских треугольников.

Большинство карбонатов безводные простые соединения, главным образом Ca, Mg и Fe с комплексным анионом 2- . Менее распространены сложные карбонаты, содержащие добавочные анионы (OH) - , F - и Cl - . Среди наиболее распространённых безводных карбонатов различают карбонаты тригональной и ромбической сингоний. Карбонаты обычно имеют светлую окраску: белую, розовую, серую и т.д., исключение представляют карбонаты меди, имеющие зелёную или синюю окраску. Твёрдость карбонатов около 3-4.5; плотность невелика, за исключением карбонатов Zn, Pb и Ba.

Важным диагностическим признаком является действие на карбонаты кислот (HCl и HNO 3), от которых они в той или иной степени вскипают с выделением углекислого газа. По происхождению карбонаты осадочные (биохимические или химические осадки) или осадочно-метаморфические минералы; выделяются также поверхностные, характерные для зоны окисления и иногда низкотемпературные гидротермальные карбонаты.

Главные минералы-карбонаты

		Сингония	Твердость
Кальцита	Кальцит СаСОз
	Родохрозит МпСОз
	Магнезит MgCOз
	Сидерит РеСОз
	Смитсонит ZnCO3
Доломита	Доломит CaMg(COз)2
Арагонита	Арагонит СаСОз
	Витерит ВаСОз
	Стронцианит SrCO3
	Церуссит PbСОз
Малахита	Малахит Cu2(СO3)(ОН)2
	Азурит Cu3(CO3)2(ОН)2
Редкоземельных карбонатов	Бастнезит Се(С03)Р
	Паризит Ca (Ce, La) 2 × 3 F 2
	Натрит Na 2 CO 3 · 10H 2 O
	Нахколит NaHCO3
Ниеререита	Ниеререит Na2Ca(CO3)2

Многие из широко распространенных карбонатов, в особенности же кальцит, магнезит, сидерит, доломит, имеют сходные черты морфологии кристаллов, близкие физические свойства, встречаются в одинаковых агрегатах и часто имеют переменный химический состав. Поэтому бывает трудно, а порой невозможно различить их по внешним признакам, твердости, спайности. Издавна используется про­стой прием диагностики карбонатов по характеру их реакции с соляной кислотой. Для этого наносят каплю разбавленной (1: 10) кислоты на зерно карбоната. Каль­цит реагирует активно, и капля раствора вскипает от выделяющихся пузырьков СО2, доломит реагирует слабо, только в порошке, а магнезит - при нагревании.

Более надежные результаты дают следующие лабораторные исследования: точное определение их показателей преломления; проведение микрохимических реакций на отполированных пластинках пород с реактивами, красящими разные минералы в различные цвета; термический анализ (определение температуры разложения минерала, у каждого карбоната она своя); рентгеновские исследования.

Карбонатовые отложения

Самым распространённым карбонатом является кальцит. Прозрачный кальцит называют исландским шпатом, непрозрачный известковым шпатом. Кальцит формирует такие породы, как известняк и мел. Подавляющее количество кальцита сформировалось за счёт биогенного его накопления. В то же время известен и кальцит гидротермального происхождения. В почвах кальцит накапливается в результате реакции кальция, высвободившегося при выветривании, с углекислым газом почвенного воздуха; особенно часто богаты кальцитом почвы засушливых областей. Кальцит и доломит формируют мрамор. Сидерит типичный минерал болотных руд; достаточно редко отмечается его эндогенное происхождение. Малахит красивый поделочный камень; как и близкий к нему по составу и свойствам минерал азурит Сu3(СО3)2(ОН)2, он образуется на поверхности Земли в результате окисления сульфидов меди.

Применение карбонатов

Карбонаты кальция, магния, бария и др. применяют в строительном деле, в химической промышленности, оптике и др. В технике, промышленности и быту широко применяется сода (Na2CO3 и NaHCO3): при производстве стекла, мыла, бумаги, как моющее средство, при заправке огнетушителей, в кондитерском деле. Кислые карбонаты выполняют важную физиологическую роль, являясь буферными веществами, регулирующими постоянство реакции крови.

Карбонаты, составляющие около 1,7 % от массы земной коры, являются осадочными или гидротермальными минералами. С химической точки зрения это соли угольной кислоты – Н2СО3, общая формула АСО 3 – где А – Са, Мg, Fe и др.

Карбонаты имеют ионные кристаллические решетки; характерны малые плотности, стеклянный блеск, светлая окраска (за исключением карбонатов меди), твердость 3-5, реакция с разбавленной НСl.

Общие свойства – кристаллизуются в ромбической и тригональной сингониях (хорошие кристаллические формы и спайность по ромбу); низкая твердость 3–4, преимущественно светлая окраска, реакция с кислотами (HCl и HNO 3 ) с выделением углекислого газа.

Наиболее распространенными являются: кальцит СаСО 3 , магнезит Mg СО 3 , доломит СаМg (СО 3) 2 , сидерит Fe СО 3 .

Карбонаты с гидроксильной группой (ОН):

Малахит Cu 2 CO 3 (OH) 2 – зеленый цвет и реакция с НС l ,

Азурит Cu 3 (CO 3) 2 (OH) 2 – синий цвет, прозрачен в кристаллах.

Генезис карбонатов разнообразен – осадочный (химический и биогенный), гидротермальный, метаморфический.

При нагревании кислые карбонаты переходят в нормальные карбонаты:

При сильном нагревании нерастворимые карбонаты разлагаются на оксиды и углекислый газ:

Карбонаты реагируют с кислотами сильнее угольной (почти все известные кислоты, включая органические) с выделением углекислого газа, эти реакции являются качественными реакциями на наличие карбонатов в растворе:

Из нормальных карбонатов в воде растворимы только соли щелочных металлов, аммония и таллия. Вследствие гидролиза растворы их показывают щелочную реакцию. Малорастворимы нормальные карбонаты кальция, бария, стронция и свинца. Все кислые карбонаты хорошо растворимы в воде; кислые карбонаты сильных щелочей также имеют слабощелочную реакцию.

Это породообразующие минералы осадочных пород (известняки, доломиты и др.) и метаморфических – мрамор, скарны.

Карбонаты широко используются в черной металлургии в качестве флюса и как сырье для производства огнеупоров и извести. Используются в строительстве, оптике, металлургии, как удобрения. Малахит используется как поделочный камень. Большие скопления магнезита и сидерита – источник получения железа и магния.

Гидрокарбонаты натрия, кальция и магния встречаются в растворённом виде в минеральных водах, а также, в небольшой концентрации, во всех природных водах, кроме атмосферных осадков и ледников. Гидрокарбонаты кальция и магния обуславливают так называемую временную жёсткость воды. При сильном нагревании воды (выше 60 °C) гидрокарбонаты кальция и магния разлагаются на углекислый газ и малорастворимые карбонаты, которые выпадают в осадок на нагревательных элементах, дне и стенках посуды, внутренних поверхностях баков, бойлеров, труб, запорной арматуры и т. д., образуя накипь.

Нормальные карбонаты широко распространены в природе, например: кальцит СаСО 3 , доломит CaMg(CO 3) 2 , магнезит MgCO 3 , сидерит FeCO 3 , витерит ВаСО3, баритокальцит BaCa(CO 3) 2 и др. Существуют и минералы, представляющие собой основные карбонаты, например, малахит CuCO 3 ·Cu(ОН) 2 .

Кальцит , СаСО 3 . Название от греч. «кальк» — жженая известь. Синоним — известковый шпат. Название предложено Гайдингером в 1845 году и происходит, как и название химического элемента, от лат. calx (род.п. calcis) - известь.

Осадочный органогенный, гидротермальный. Кристаллы в форме ромбоэдров. Совершенная спайность по ромбоэдру. Вскипает под действием разбавленной НСl на холоду. Разновидности: прозрачный, бесцветный — исландский шпат, ромбический белый — арагонит. В основном из кальцита состоят толщи осадочных пород: мела, известняка, мрамора. Из кальцита состоит и известковый туф — травертин.

В чистом виде кальцит белый или бесцветный, прозрачный (исландский шпат) или просвечивающий, - в зависимости от степени совершенства кристаллической структуры. Примеси окрашивают его в разные цвета. Ni окрашивает в зелёный; кобальтовые, марганцевые кальциты - розовые. Тонкодисперсный пирит окрашивает в синеватый и зеленоватый цвет. Кальцит с примесью железа - желтоватый, буроватый, красно-коричневый; с примесью хлорита - зелёный. Углистое вещество часто придает кальциту неравномерную чёрную окраску. Известны кристаллы с многочисленными включениями битуминозного вещества, они имеют жёлтый или бурый цвет.

Черта белая, плотность 2,6-2,8, излом ступенчатый, твёрдость по шкале Мооса 3, спайность совершенная по основному ромбоэдру, блеск стеклянный до перламутрового. Вскипает при взаимодействии с разбавленной соляной кислотой (HCl). Характерно многообразие двойников срастания и прорастания по многочисленным законам, а также деформационные двойники. Прозрачные кристаллы обладают двупреломлением света, особо хорошо наблюдаемым сквозь поверхности спайности в ромбоэдрических выколках или толстых пластинах.

Черная металлургия потребляет миллионы тонн известняка в качестве флюса. Кроме того, известняк обжигают на известь в строительной промышленности. Исландский шпат используется в оптике для изготовления поляризаторов.

Магнезит , МgСО 3 . Назван в честь греческой провинции Магнезия. Синоним: магнезиальный шпат. Облик кристаллов ромбоэдрический с совершенной спайностью по ромбоэдру. В большинстве случаев встречается в виде зернистых агрегатов снежно-белого цвета с раковистым изломом («аморфный» магнезит) и в серых удлиненных зернах. Гидротермальный.

Состав близок теоретическому. Из примесей наибольшее значение имеет Fe; меньше Mn, Ca. Кристаллы редки. Обычно плотные разной зернистости агрегаты вплоть до фарфоровидных. Фарфоровидный магнезит часто содержит примеси опала и силикатов магния. Хрупок. Твердость 4-4,5 у фарфоровидного — до 7 (за счёт тонкодисперсной примеси опала). Цвет белый, серый, реже желтоватый Встречается в гидротермальных месторождениях или в качестве продукта выветривания ультраосновных горных пород.

С разбавленными кислотами магнезит реагирует без вскипания, чем отличается от похожего на него кальцита. Реакция с HCl только в порошке при нагревании.

Магнезит используют для производства огнеупоров и вяжущих материалов, в химической промышленности. Применяется для производства огнеупорного кирпича. Также является рудой магния и его солей.

Важное сырье для производства огнеупорного кирпича и заправочных порошков. Использование доломитизированного известняка улучшает качество агломерата, окатышей и снижает вязкость доменных шлаков. Месторождения: Саткинское (Россия), Вейч (Австрия), Ляо Тун и Шен-Кин (Сев. вост. Китай), Квебекское (Канада).

Малахит , CuCO 3 × Cu(OH) 2 . Название от греч. «малахэ» — мальва (имеется в виду зеленый цвет листьев мальвы).

Малахи́т(от греч. тополь и мальва) - минерал, основной карбонат меди (дигидроксокарбонат меди(II)). Состав минерала почти точно выражен формулой CuCO 3 ·Cu(ОН) 2 , но более верное современное написание кристаллохимической формулы малахита Cu 2 (CO 3)(OH) 2 . Устаревший синоним — медная зелень углекислая.

Сингония моноклинная. Двойники по (100). Твёрдость 3,5-4,0; плотность 3,7-4,1 г/см³. Цвет зелёный разных оттенков; блеск различный, смотря по сложению: стеклянный у кристаллов или шелковистый у тонковолокнистых агрегатов и кусков.

Габитус кристаллов призматический, пластинчатый, игольчатый. Кристаллы имеют тенденцию к расщеплению с образованием сферокристаллов, тонковолокнистых сферолитов, сфероидолитовых дендритов.

При нагревании в колбе выделяет воду, углекислый газ и становится чёрным:

Характерна растворимость малахита в кислотах с выделением углекислого газа, а также в аммиаке, который окрашивается при этом в красивый голубой цвет.

С глубокой древности известен способ получения из малахита свободной меди. В условиях неполного сгорания угля, при котором образуется угарный газ, происходит реакция:

Азурит , 2CuCO 3 × Cu(OH) 2 . Название от персидского «лазвард» — голубой. Минерал синего цвета со стеклянным блеском, хрупкий. Тв. 3,5-4. Цвет черты синевато-голубой, спайность совершенная, излом раковистый.

Один из наиболее распространённых вторичных минералов, содержащих медь. Индикатор и поисковый признак медных руд, азурит и сам является медной рудой, хотя и менее ценной, чем малахит.

Образуется в близповерхностных зонах окисления большинства медно-сульфидных месторождений, встречается во вторичных медных рудах вместе с малахитом. В условиях выветривания неустойчив и легко замещается малахитом. Нередко в породе встречаются полосчатые сращения азурита и малахита, которые иногда разрезают и полируют, - такая разновидность носит название азуро-малахита.

Натечные, землистые, концентрически скорлуповатые. Вскипает под действием разбавленной HCl. Используются как декоративные поделочные камни, руды на медь.

Сидерит , FeCO 3 . Название от греч. слова, обозначающего железо. Синоним — железный шпат. Минерал осадочного происхождения бурого цвета, растворяется в минеральных кислотах. При окислении переходит в бурый железняк. Важная руда для получения железа, так как в составе до 48 % железа и нет серы и фосфора. Агрегаты зернистые, землистые, плотные, иногда в шаровидных конкрециях.

Цвет черты — белый, блеск стеклянный, полупрозрачный, твёрдость 3,5 — 4,5, спайность совершенная, плотность 3,96 г/см³.

Происхождение: Гидротермальное - встречается в полиметаллических месторождениях как жильный минерал. Легко выветривается до лимонита.Обычно в зернистых желтовато-белых, буроватых массах. Реагирует с холодной НС1, капля которой окрашивается в зеленый цвет. Цвет: Желтовато-коричневый, коричневый, серый, желтовато-серый, зеленовато-серый.

Сидерит содержит до 48,3 % Fe и используется в качестве железной руды. Месторождения: Бакальское (Юж. Урал), Керченское (Украина).

Родохрозит , MnCO 3 . Название от греч. «родон» — роза и «хрос» – цвет. Синоним: марганцевый шпат. Обычно в виде зернистых агрегатов розового, малинового цвета, черта белая. Реагирует с холодной HCl.

Существуют изоморфные ряды MnCO 3 - СаCO 3 и MnCO 3 - FeCO 3 . Марганец частично замещается магнием и цинком. Железосодержащие разновидности: понит и феррородохрозит. Сингония тригональная. Кристаллы толстотаблитчатые, призматические, ромбоэдрические, скаленоэдрические. Двойники по {0112} редки. Спайность совершенная по {1011}. Агрегаты: зернистые, плотные, столбчатые, шаровидные, скорлуповатые, корки. Цвет: розовый, красный, желтовато-серый, коричневый. Блеск стеклянный. Твёрдость 3,5-4. Удельный вес 3,7.

Гидротермальный минерал средне- и низкотемпературных месторождений свинца, цинка, серебра и меди, в ассоциации с сидеритом, флюоритом, баритом, алабандином и др. Встречается в высокотемпературных месторождениях с родонитом, гранатом, брайнитом, тефроитом и в пегматитах с литиофиллитом.

В осадочных марганцевых месторождениях ассоциирует с марказитом, кальцитом, опалом и др. В этом случае имеет промышленную ценность. В коре выветривания марганцевых и железо-марганцевых месторождений. В метаморфизованных первично-осадочных марганцевых месторождениях.

Используется в качестве марганцевой руды. Месторождения: Чиатурское (Грузия), Полуночное (Сев. Урал), Оброчище (г. Варна, Болгария).

Водный раствор диоксида углерода обладает свойствами слабой кислоты: он окрашивает (очень слабо) лакмус в красный цвет. На основании этого свойства можно заключить, что в растворе диоксид углерода находится частично в форме угольной кислоты (Н 2 СО 3), которая в свою очередь частично диссоциирует на ионы:

СО 2 + Н 2 О ↔ Н 2 СО 3 ,

Н 2 СО 3 ↔ 2Н + + СО 3 2- .

Угольная кислота может реагировать с одним или двумя эквивалентами сильного основания, образуя первичные, или кислые карбонаты (гидрокарбонаты) и вторичные, или нейтральные (нормальные) карбонаты:

H 2 СО 3 + МOН → MHСО 3 + Н 2 О;

Н 2 СО 3 + 2МОH → М 2 СО 3 + 2Н 2 О.

Угольная кислота, как двухосновная кислота, диссоциирует в две стадии:

H 2 СО 3 ↔ Н + + HСО 3 —

НСО 3 — ↔ Н + + СО 3 2- .

Соли, угольной кислоты, карбонаты; в водном растворе гидролитически расщеплены. В их растворах устанавливаются равновесия:

M 2 CO 3 + H 2 O ↔ MOH + MHCO 3

MHCO 3 + H 2 O ↔ MOH + H 2 CO 3

Поэтому карбонаты обнаруживают щелочную реакцию, причем это справедливо не только для вторичных или «нейтральных», но и для первичных или «кислых» карбонатов (гидрокарбонатов). Только по отношению к таким индикаторам, для которых, как для фенолфталеина, цветовой переход щелочь → кислота протекает тогда, когда раствор является еще слабо основным, первичные карбонаты (гидрокарбонаты) реагируют на холоду (0 °С и немного выше) как «кислоты».

Гидролитическое расщепление (вторичного) карбоната натрия составляет, по данньм Аусрбаха, при 18 °С в 0,1 н. растворе 3,5 % в 0,01 н. − 12,4 %. В 0,1 н. растворе карбоната натрия концентрация гидроксид-ионов составляет, следовательно, при 18 °С 3,5-10 -3 моль/л. В растворе гидрокарбоната натрия он составляет при той же температуре 1,5∙10 -6 моль/л.

Известны первичные карбонаты (гидрокарбонаты) щелочных, щелочноземельных и некоторых других двухвалентных металлов. Все они легко растворимы в воде. Исключением является гпдрокарбонат натрия, на малой растворимости которого основан метод Сольве получения соды. При кипячении растворов гидрокарбонатов происходит превращение их в нормальные карбонаты с отщеплением СО 2 .

Вторичные или нормальные карбонаты, образуются главным образом одно- и двухвалентными металлами. Нормальные карбонаты, за исключением карбонатов щелочных металлов, трудно растворимы в воде.

Помимо карбонатов щелочных металлов, легко растворим также карбонат аммония. Достаточно легко растворим и карбонат одновалентого таллия.

Все карбонаты разлагаются нелетучими кислотами. Очень слабые кислоты (такие, как борная и кремневая, и соответственно их ангидриды) разлагают карбонаты только при прокаливании.

Карбонаты щелочных металлов можно расплавить без разложения. Прочие карбонаты разлагаются при нагревании, отщепляя СО 2: М 2 СО 3 = М 2 О + СО 2 .

Этому разложению способствует удаление образующейся СО 2 (понижение давления) или устранение оксида М 2 О из смеси. Последнее можно достигнуть добавлением термостойкой кислоты или ее ангидрида, например SiO 2 , которая образует соль с основным оксидом. На этом свойстве основано разложение карбонатов при прокаливании их с ангидридами очень слабых, однако термостойких кислот, таких, как борная и кремневая.

Карбоновыми кислотами называют соединения, в которых содержится карбоксильная группа:

Карбоновые кислоты различают:

• одноосновные карбоновые кислоты;
• двухосновные (дикарбоновые) кислоты (2 группы СООН ).

В зависимости от строения карбоновые кислоты различают:

• алифатические;
• алициклические;
• ароматические.

Примеры карбоновых кислот.

Получение карбоновых кислот.

1. Окисление первичных спиртов перманганатом калия и дихроматом калия:

2. Гибролиз галогензамещенных углеводородов, содержащих 3 атома галогена у одного атома углерода:

3. Получение карбоновых кислот из цианидов:

При нагревании нитрил гидролизуется с образованием ацетата аммония:

При подкисления которого выпадает кислота:

4. Использование реактивов Гриньяра:

5. Гидролиз сложных эфиров:

6. Гидролиз ангидридов кислот:

7. Специфические способы получения карбоновых кислот:

Муравьиная кислота получается при нагревании оксида углерода (II) с порошкообразным гидроксидом натрия под давлением:

Уксусную кислоту получают каталитическим окислением бутана кислородом воздуха:

Бензойную кислоту получают окислением монозамещенных гомологов раствором перманганата калия:

Реакция Каннициаро . Бензальдегид обрабатывают 40-60% раствором гидроксида натрия при комнатной температуре.

Химические свойства карбоновых кислот.

В водном растворе карбоновые кислоты диссоциируют:

Равновесие сдвинуто сильно влево, т.к. карбоновые кислоты являются слабыми.

Заместители влияют на кислотность вследствие индуктивного эффекта. Такие заместители оттягивают электронную плотность на себя и на них возникает отрицательный индуктивный эффект (-I). Оттягивание электронной плотности приводит к повышению кислотности кислоты. Электронодонорные заместители создают положительный индуктивный заряд.

1. Образование солей. Реагирование с основными оксидами, солями слабых кислот и активными металлами:

Карбоновые кислоты - слабые, т.к. минеральные кислоты вытесняют их из соответствующих солей:

2. Образование функциональных производных карбоновых кислот:

3. Сложные эфиры при нагревании кислоты со спиртом в присутствие серной кислоты - реакция этерификации:

4. Образование амидов, нитрилов:

3. Свойства кислот обуславливаются наличием углеводородного радикала. Если протекает реакция в присутствие красного фосфора, то образует следующий продукт:

4. Реакция присоединения.

8. Декарбоксилирование. Реакцию проводят сплавлением щелочи с солью щелочного металла карбоновой кислоты:

9. Двухосновная кислота легко отщепляет СО 2 при нагревании:

Дополнительные материалы по теме: Карбоновые кислоты.

	Калькуляторы по химии
Химия онлайн на нашем сайте для решения задач и уравнений.