Karbonat

Struktur des Carbonat-Anions mit 3 gleichwertigen Sauerstoff-Atomen

Struktur der Kohlensäure-Ester; bei einem Halbester ist R₂=H

Als Carbonate werden die Salze der vollständig dissoziierten Kohlensäure bezeichnet. Das zugehörige zweifach negativ geladene Anion („Säurerest“) ist das Carbonat-Ion CO₃²⁻.

Das Carbonat-Anion ist vollkommen planar gebaut, mit 120°-Bindungswinkeln zwischen den einzelnen Sauerstoffatomen. Die Abstände aller drei O-Atome zum zentralen Kohlenstoffatom sind gleich und liegen mit etwa 130 pm zwischen der Länge von C-O-Einfachbindungen (143 pm) und C=O-Doppelbindungen (123 pm).^[1]

Auch die Ester der Kohlensäure mit der allgemeinen Strukturformel R₁-O-C(=O)-O-R₂, wobei R₁ und R₂ kohlenstoffhaltige Alkyl- oder Aryl-Reste sind, werden Carbonate genannt. Gehören R₁ und R₂ zu demselben Molekül, so bildet sich eine ringförmige Verbindung wie beispielsweise Propylencarbonat.

Vorkommen

Der Edelstein Malachit im Planschliff, chemisch gesehen: basisches Kupfer(II)-carbonat

Carbonat-Salze kommen ubiquitär in der Natur vor, vorwiegend als Minerale wie Calciumcarbonat (Kalk, Calcit, Kalkspat, Aragonit oder Marmor), Calciummagnesiumcarbonat (Dolomit), Magnesiumcarbonat (Magnesit), Eisencarbonat (Siderit oder Eisenspat), Mangancarbonat (Rhodochrosit oder Manganspat) und Zinkcarbonat (Smithsonit oder Zinkspat).^[2] Die Gesamtmenge der in der Lithosphäre enthaltenen Carbonate beträgt etwa 2,9·10¹⁶ t.^[1] Weiterhin enthält auch die Hydrosphäre der Meere, Seen und Flüsse große Mengen gelöster Carbonate und nahezu alle Lebewesen tragen sowohl gelöste Carbonate in sich oder benutzen unlösliche Carbonate als Gerüstsubstanz.

Eigenschaften von (anorganischen) Carbonaten

Carbonate sind ionische Salze und deshalb bei Raumtemperatur in der Regel kristalline Feststoffe. Das Carbonat-Anion bringt keine Eigenfarbe in die Verbindungen ein, so dass deren Farbe ggf. durch das betreffende Kation bestimmt wird. Carbonate sind geruchlos. Mit Ausnahme der Alkali-Carbonate sind sie nur wenig wasserlöslich, so dass die meisten Metalle bei Reaktion mit Alkalicarbonaten ausgefällt werden.

Reaktionen von Carbonaten

• Reaktion zwischen Kohlensäure und Carbonat:

$\mathrm{CaCO_3 + H_2O + CO_2 \longrightarrow Ca(HCO_3)_2}$

Calciumcarbonat reagiert mit Wasser und Kohlenstoffdioxid zu Calciumhydrogencarbonat.

Diese Reaktion spielt sich bei der Lösung von Kalkstein in kohlensäurehaltigem Grundwasser ab. Sie ist der Ursprung der Wasserhärte.

• Dissoziation in Wasser:

$\mathrm{MgCO_3 \longrightarrow Mg^{2+} + CO_3^{2-}}$

Magnesiumcarbonat dissoziiert zu einem Magnesiumion und einem Carbonation.

• Zerfall beim Erhitzen:

$\mathrm{CaCO_3 \longrightarrow CaO + CO_2}$

Calciumcarbonat zerfällt zu Calciumoxid und Kohlenstoffdioxid.

Dies ist die Reaktion bei der Herstellung von Branntkalk.

Siehe auch: Carbonat-Silicat-Zyklus

Nachweis von Carbonaten

Carbonat-Ionen (CO₃²⁻) lassen sich durch Zugabe von Salzsäure nachweisen, bei der Kohlenstoffdioxid entsteht:

$\mathrm{CO_3^{2-} + 2 \ HCl \longrightarrow CO_2 \uparrow + 2 \ Cl^- + H_2O}$

Kohlenstoffdioxidgas wird in die Nachweisreagenz Kalk- oder Barytwasser geleitet. Dort erzeugt es eine weiße Trübung von Calcium-- bzw. Bariumcarbonat:

$\mathrm{Ba(OH)_2 \ (aq) + CO_2 \ (g) \longrightarrow BaCO_3 \downarrow + H_2O \ (l)}$

Bariumhydroxid und Kohlenstoffdioxid reagieren zu Bariumcarbonat und Wasser

Der quantitative Nachweis geringer Carbonatkonzentrationen in Wässern erfolgt zusammen mit der Bestimmung von Hydrogencarbonaten oft durch eine Titration mit Salzsäure ("SBV"): weist das Messgut zu Beginn einen pH-Wert über 8,3 auf, so ist der Salzsäureverbrauch bis zum Erreichen von pH 8,3 äquivalent der Carbonatkonzentration. Der weitere Säureverbrauch bis zum Erreichen von pH 4,3 entspricht der Summe von Carbonat und Hydrogencarbonat. Bei Wässern mit pH-Werten unter 8,3 titriert man gleich nur bis 4,3 (nur noch Hydrogencarbonat) und errechnet den ursprünglichen, dann sehr geringen Anteil an Carbonat-Ionen aus dem Dissoziationsgleichgewicht der Kohlensäure.

Carbonate und Hydrogencarbonate können auch durch Ionen-HPLC oder durch Kapillarelektrophorese bestimmt werden. In beiden Fällen wird ein "Gesamtcarbonat" ermittelt und die Komponenten Carbonat, Hydrogencarbonat und "Freie Kohlensäure" unter Berücksichtigung von pH-Wert, Ionenstärke und Temperatur wiederum aus dem Dissoziationsgleichgewicht der Kohlensäure errechnet.

Basische Reaktion

Die Carbonationen reagieren mit Wasser zu Hydrogencarbonat- und Hydroxidionen. Es handelt sich dabei um eine basische Reaktion.

$\mathrm{CaCO_3 + H_2O \longrightarrow HCO_3^- + OH^- + Ca^{2+}}$

Wichtige Carbonate

Strontianit aus dem Münsterland, chemisch gesehen: Strontiumcarbonat

• Bariumcarbonat (Witherit)
• Kaliumcarbonat (Pottasche)
• Natriumcarbonat (Soda)
• Magnesiumcarbonat (Magnesit)
• Calciumcarbonat (Kalkstein, Kreide, Kesselstein, Marmor)
• Calcium-Magnesium-Carbonat (Dolomit)

Weitere Beispiele siehe unter: Kategorie:Carbonat

Organische Carbonate

Die kovalenten Carbonate, die sich formal von Alkoholen und Kohlensäure ableiten, kommen natürlich nicht vor. Der einfachste synthetisch hergestellte Kohlensäureester ist Dimethylcarbonat.

In den letzten Jahren haben organische Carbonate in polymerer Form als Polycarbonate besonders bei der Produktion von CDs und DVDs größere wirtschaftliche Bedeutung erlangt.

Einzelnachweise

1. ↑ ^{a b} A.F. Holleman, E. Wiberg, N. Wiberg : Lehrbuch der anorganischen Chemie, 1995, Walter de Gruyter, ISBN 3-11-012641-9
2. ↑ Wissenschaft-Online-Lexika: Eintrag zu Carbonate im Lexikon der Geographie

Weblinks

• Mineralienatlas - Carbonat