Els carbonats, en química inorgànica, són sals de l'àcid carbònic (H₂CO₃) o èsters amb el grup R-O-C(=O)-O-R'. En química orgànica els carbonats són èsters de l'hipotètic àcid carbònic. Es poden formar a partir de fosgen (Cl₂C=O) i l'alcohol corresponent. Les sals tenen en comú l'anió CO₃2- i es deriven de l'àcid carbònic H₂CO₃. Segons l'acidesa o alcalinitat de la dissolució estan en equilibri amb l'hidrogencarbonat i el diòxid de carboni.
En geologia i mineralogia, els carbonats refereixen tant als minerals carbonats com a les roques carbonatades, formades principalment per minerals carbonats; tant les roques com els minerals presenten l'ió CO₃2- com a ió principal. Els minerals carbonats són molt comuns en la superfície terrestre, sent els més abundants, la calcita, la dolomita, l'aragonita o la siderita, entre d'altres. Les roques carbonatades més comunes són d'origen sedimentari com ara les roques calcàries o dolomites, malgrat que també poden tenir origen ígni com les carbonatites.
Els policarbonats basats en dialcohols com el 2,2-bis(4-hidroxifenil)-propà (HOC₆H₄-C(CH₃)₂-C₆H₄OH) tenen importància en la industrial com a matèria primera per a fabricar CD's o com substitut del vidre.
Un carbonat de recent descobriment, la putnisita, també conté l'anió sulfat, per la qual cosa encara no està clara la seva classificació definitiva.
Descripció Els carbonats en la naturalesa són formats a partir de l'àcid carbònic en solució aquosa derivat de la dissolució del diòxid de carboni en aigua i en la qual una petita fracció forma àcid carbònic segons la reacció:
CO2 + H2O ↔ H2CO3
Aquesta reacció és molt lenta, i per això part del CO2 dissolt en aigua no està en forma d'àcid carbònic. L'àcid carbònic es troba en equilibri amb l'anió bicarbonat i l'anió carbonat segons les següents equacions:
H2CO3 + H2O ↔ HCO3- + H3O+ (K1 = 2· 10−4)
i
HCO3- + H2O ↔ CO32- (K2 = 4,8· 10−11)
Durant molts anys es va pensar que en l'ió carbonat únicament dos oxígens portaven la càrrega negativa. Els estudis cristal·logràfics de la calcita realitzats per W.L. Bragg mitjançant raigs-X van revelar que els tres enllaços C-O eren idèntics.Pauling, L. (1979). General Chemistry, Dover Publications, Nueva York Aquesta observació requeria una nova estructura i no va ser fins al desenvolupament de la teoria de ressonància que en 1931 es va proposar una nova estructura en la qual cada oxigen compartia 2/3 de la càrrega negativa i en la qual els enllaços eren parcials, és a dir a mig camí entre simples i dobles:
450px|esquerra|Ressonància de l'ió carbonat
D'aquesta manera l'ió carbonat té geometria planar amb una longitud d'enllaç C-O d'1,29 Å, compresa entre l'enllaç senzill (1,34 Å) i el doble (1,20 Å). Cada enllaç C-O està format per un enllaç senzill σ i una fracció de 2/3 d'un enllaç π.Ríos, E.G. Química Inorgánica (1994). Editorial Reverté, S.A. L'ió carbonat és un dels més senzills dels ions oxocarbonats.
Carbonats com a formadors de roques Els carbonats són un component fonamental en la formació de les roques carbonatades, és a dir, aquelles en les quals els minerals carbonats, habitualment calcita i dolimita, superen el 50% del material. Per tal que les roques siguin considerades carbonatades, cal que aquest 50% de carbonat no inclogui el ciment. En cas de tenir ciment carbonatat, és possible que s'estigués davant una roca formada per processos de carbonatació, és a dir, una roca que ha sofert un procés epigenètic amb introducció de minerals carbonats que, o bé reemplacen els minerals preexisten, o en canvi, omplen espais intersticials.
Les roques amb un contingut rellevant de carbonat poden ser tant sedimentàries, com ígnies o metamòrfiques, malgrat que les primeres són les més abundants i conegudes. Entre les roques sedimentàries, destaquen les calcàries (formades principalment per calcita) o les dolomies (formades majoritàriament per dolomita). Entre les ígnies, destaquen les carbonatites, que contenen més d'un 50% de carbonat d'origen magmàtic i entre les metamòrfiques, destaquen els marbres, roques abundants i molt emprades en construcció.
Aplicacions Els carbonats s'apliquen en multitud de camps. Els minerals com la calcita i la dolomia són importants en la fabricació de ciment i pedra de construcció.Carbonats. Roques i Minerals. Guies de la Naturalesa, ed. Omega. R. L. Bonewitz. Sovint la seva utilització va lligada al compost concret com l'obtenció de calç viva (CaO) del carbonat càlcic. Altres minerals carbonats constitueixen menes de metalls: witherita de bari; estroncianita d'estronci; siderita de ferro; rodocrosita de manganès; smithsonita de zinc, i cerusita de plom.
Un dels carbonats més importants industrialment és el carbonat sòdic. En la naturalesa es troba en algunes llacunes salines, per exemple, a Egipte, encara que la gran majoria s'obté a partir de la calç en el procés Solvay. És un intermedi en l'obtenció de productes tan dispars com el sabó, el percarbonat sòdic utilitzat com blanquejant, el vidre, la sosa (NaOH), etc.
Les cendres de fusta també es componen en gran manera de carbonats. Aquests han donat fins i tot el nom a un element, el potassi (K) de l'anglès "pot ash = cendra sota la caldera", ja que s'obtenia habitualment d'aquesta font.
A causa del seu caràcter com a sals d'un àcid feble els carbonats s'utilitzen també com a bases barates. En aquesta aplicació s'allibera diòxid de carboni i en dissolució es queda la sal formada pel metall que estava unit al carbonat i la resta de l'àcid neutralitzat:
MCO3 + 2HX → H2O + CO2 + MX2
On M és un metall, com el calci o magnesi i X l'anió d'un àcid. D'aquesta manera el carbonat càlcic en aigua alliberaria anhídrid carbònic i hidròxid càlcic donant lloc a solucions bàsiques segons els següents equilibris químics:
(1) CaCO3 + H2O → HCO3- + Ca(OH)+
(2) HCO3- + H2O+ Ca(OH)+ → H2CO3 + Ca(OH)2 i l'àcid carbònic en aigua es descompon alliberant diòxid de carboni segons:
(3) H2CO3 → H2O + CO2
Aquesta reacció és l'empleada en la detecció de carbonats a causa de la seva efervescència característica en la qual s'allibera aigua i anhídrid carbònic.C. Klein, C. S. Hurlbut. Manual de Mineralogía, quarta edició. Editorial Reverté, 1998. Existeixen diversos mètodes de quantificació dels carbonats presents en una mostra, mitjançant la quantificació del CO2 després. Alguns inclouen el pas del CO2 després per una solució aquosa d'hidròxid de bari, i la quantificació del carbonat de bari precipitat, mentre que uns altres com la calcimetria "de Bernard"Determinación de carbonatos. Método Bernard. (Práctica nº 7). Marisol Andrades Rodríguez. Universitat de La Rioja (Espanya) consisteixen en la detecció volumètrica del diòxid de carboni. miniatura|Agregat de macles pseudohexagonals d'aragonita d'uns 4 cm. L'aragonita és un mineral de carbonat càlcic amb estructura cristal·lina ortoròmbica. El carbonat càlcic forma part de la formulació de les pastes dentals.
Minerals Existeixen uns 80 minerals carbonats, la majoria rars. Així i tot, mentre els nitrats i els borats són minerals escassos en la naturalesa els carbonats més simples són bastant abundants. Formen part de la composició química de nombroses roques sent el component essencial de calcàries, dolometes i marbres cristal·lins. A més són menes de nombrosos metalls."Capt. 5. Nitratos, Boratos y Carbonatos". Tesoros en las Rocas. Institut Geològic i Miner d'Espanya. Els minerals més importants del grup dels carbonats són la calcita, l'aragonita (CaCO3), i la dolomia (MgCa(CO3)2). Altres importants són la smithsonita (ZnCO3), la rodocrosita (MnCO3) i la magnesita (MgCO3). Aquests s'agrupen en subgrups denominats grup de la calcita (sistema trigonal), el grup de l'aragonita (sistema ortoròmbic) i els grups de la dolomia (trigonal) i dels carbonats monoclínics com la malaquita (Cu2CO3(OH)2) i l'atzurita (Cu3(CO3)2(OH)2), amb presència d'ions hidròxid en la seva estructura.
Els carbonats solen presentar-se en forma de minerals com la calcita en els quals se'l calci pot estar substituït per ions Mn2+, Fe2+ o Mg2+, en sèries isomorfes que s'exenen des de la (I) siderita (FeCO3) fins a la magnesita (MgCO3) passant per l'ankerita (FeCa(CO3)2) i la dolomia (MgCa(CO3)2); (II) des de la magnesita i siderita fins a la rodocrosita (MnCO3) i (III) des de la dolomia i ankerita fins a la kutnahorita.,De Essene, E.J. (1983) Solid solutions and solve among methamorphic carbonates with applications to geology thermobarometry. Mineralogy and Chemistry. Reviews in Mineralogy, 11, pg. 77-96
800px|centre|Isomorfs
Els carbonats solen tenir una duresa mitjana amb valors de típics de 3 - 5 a l'escala de Mohs.Zorzin, R. Conocer los minerales. Ediciones Susaeta, S.A, Madrid.
Sals carbonatades En la següent taula periòdica s'ordenen les sals carbonatades segons els elements corresponents, amb indicació del seu pes molecular (g/mol). A més dels carbonats indicats en la taula periòdica següent també existeixen uns altres com el carbonat amònic (NH4)2CO3 i el bicarbonat d'amoni (NH4)HCO3.
63, 03 H2CO3He73,89Li2CO369,02BeCO3BCNOFNe105,99Na2CO384,31MgCO3233,99Al2(CO3)3SiPSClAr138,20K2CO3100,87CaCO3ScTuVCr114,95MnCO3115,84FeCO3118,94CoCO3118,70NiCO3123,55CuCO3125,38ZnCO3GaGeAsEsBrKr230,94Rb2CO3147,63SrCO3IZrNbMoTcRuRhPd275,74Ag2CO3176,41CdCO3InSnSbEtIXe325,82Cs2CO3197,34BaCO3✶HfTaWReUsIrPtAuHg468,77Tl2CO3267,21PbCO3BiPoAtRnFrRa◘RfDbSgBhHsMtDsRgCnNhFlMcLvTsOg ✶457,84La2(CO3)3CePrNdPmSmEuGdTbDyHoErTmYbDl.◘89Ac90Th91Pa92O93Np94Pu95Am96Cm97Bk98Cf99Es100Fm101Md102No103Lr +AlcalinsAlcalinoterrisLantànidsActínidsMetalls de transicióMetalls del bloc pMetal·loidesNo metallsHalogensGasos nobles i Transactínids
Química miniatura|La química del carbonat i els equilibris químics dels seus ions derivats juguen un paper fonamental en la formació dels paisatges calcaris o carsts com el de la Ciutat Encantada de Conca, Castella - la Manxa Com s'ha comentat més amunt, els carbonats reaccionen amb els àcids alliberant aigua i diòxid de carboni. Per al cas del carbonat càlcic: CaCO3 + 2HCl → CaCl2 + H2O + CO2
Les sals carbòniques es formen en medis aquosos en els quals existeixen cations metàl·lics dissolts i en els quals s'infon un corrent de diòxid de carboni. Aquest procés s'esquematitza mitjançant les següents reaccions:
1) CO2 (g) + H2O → H2CO3 (acu.)
2) H2CO3↔ H+ + HCO3-
3) HCO3- ↔ H+ + CO32-
Al seu torn cations metàl·lics amb càrregues positives, M+, M2+ o M3+ reaccionessin amb l'anió carbonat per a donar les següents sals:
4) 2M+ + CO32- → M2CO3
5) M2+ + CO32- → MCO3
6) 2M3+ + 3CO32- → M2(CO3)3
La reacció (5) és el cas de la formació de dipòsits calcaris o carst en formes d'estalactites, estalagmites o incrustacions en zones riques en calcàries i roques carbonatades:
Ca2+(acu.) + CO32- → CaCO3 (s)
Estabilitat tèrmica Els carbonats es descomponen tèrmicament desprenent diòxid de carboni i donant lloc a l'òxid metàl·lic corresponent segons la següent reacció:
M2CO3 → M2O + CO2 (cations alcalins: Li+, Na+, K+, Rb+, Cs+)
MCO3 → MO + CO2 (cations alcalinoterris: Be2+, Mg2+, Ca2+, Sr2+, Ba2+, Ra2+)
L'estabilitat tèrmica dels carbonats creix amb la grandària dels cations que els componen. D'aquesta manera per a un període donat l'estabilitat creix amb el grup (alcalinoterris> alcalins) i per a un grup donat augmenta segons descendim: MgCO3 (400 °C), CaCO3 (900 °C), SrCO3 (1.290 °C), BaCO3 (1.360 °C).Alcañiz E.J (2012). Química Inorgánica I. 7. Química descriptiva de los grupos principales . Universitat d'Alcalá, Espanya. Al procés de descomposició de la calcita se'l denomina calcinació, derivat del procés d'obtenció de calç viva a partir del carbonat càlcic: CaCO3 → CaO + CO2 (g)
Carbonats orgànics Els carbonats orgànics són èsters de l'àcid carbònic. Es poden formar a partir de fosgen (Cl2C=O) i l'alcohol corresponent.