Carbonate

Karbonat ⓘ

Bezeichnungen
Bevorzugte IUPAC-Bezeichnung Karbonat
Systematische IUPAC-Bezeichnung Trioxidocarbonat
Bezeichner
CAS-Nummer	3812-32-6
3D-Modell (JSmol)	Interaktives Bild
ChemSpider	18519
PubChem CID	19660
UNII	7UJQ5OPE7D
InChI InChI=1S/CH2O3/c2-1(3)4/h(H2,2,3,4)/p-2 Schlüssel: BVKZGUZCCUSVTD-UHFFFAOYSA-L InChI=1/CH2O3/c2-1(3)4/h(H2,2,3,4)/p-2 Schlüssel: BVKZGUZCCUSVTD-NUQVWONBAE
SMILES C(=O)([O-])[O-]
Eigenschaften
Chemische Formel	CO2- 3
Molekulare Masse	60,008 g-mol-1
Konjugierte Säure	Bikarbonat
Sofern nicht anders angegeben, beziehen sich die Daten auf Stoffe im Standardzustand (bei 25 °C [77 °F], 100 kPa). Infobox-Referenzen

Ein Carbonat ist ein Salz der Kohlensäure (H₂CO₃), gekennzeichnet durch das Vorhandensein des Carbonat-Ions, eines mehratomigen Ions mit der Formel CO2-
₃. Das Wort Carbonat kann sich auch auf einen Carbonatester beziehen, eine organische Verbindung, die die Carbonatgruppe C(=O)(O-)₂ enthält. ⓘ

Der Begriff wird auch als Verb verwendet, um die Karbonatisierung zu beschreiben: den Prozess der Erhöhung der Konzentrationen von Karbonat- und Bikarbonationen in Wasser, um kohlensäurehaltiges Wasser und andere kohlensäurehaltige Getränke herzustellen - entweder durch die Zugabe von Kohlendioxidgas unter Druck oder durch die Auflösung von Karbonat- oder Bikarbonatsalzen im Wasser. ⓘ

In der Geologie und Mineralogie kann sich der Begriff "Karbonat" sowohl auf Karbonatminerale als auch auf Karbonatgestein (das hauptsächlich aus Karbonatmineralen besteht) beziehen, und in beiden Fällen dominiert das Karbonat-Ion, CO2-
₃. Karbonatminerale sind äußerst vielfältig und in chemisch ausgefälltem Sedimentgestein allgegenwärtig. Die häufigsten sind Calcit oder Calciumcarbonat, CaCO₃, der Hauptbestandteil von Kalkstein (sowie der Hauptbestandteil von Molluskenschalen und Korallenskeletten); Dolomit, ein Calcium-Magnesium-Carbonat CaMg(CO₃)₂; und Siderit oder Eisen(II)carbonat, FeCO₃, ein wichtiges Eisenerz. Natriumkarbonat ("Soda" oder "Natron") und Kaliumkarbonat ("Pottasche") werden seit dem Altertum zur Reinigung und Konservierung sowie zur Herstellung von Glas verwendet. Karbonate werden in der Industrie in großem Umfang verwendet, z. B. bei der Eisenverhüttung, als Rohstoff für Portlandzement und Kalk, bei der Herstellung von Keramikglasuren und vielem mehr. ⓘ

Struktur des Carbonat-Ions (oben blau markiert) mit 3 gleichwertigen Sauerstoff-Atomen. Unten: Struktur der Kohlensäure-Ester. Die Carbonat-Gruppe ist blau markiert. R¹ und R² sind Alkyl- oder Aryl-Reste. Bei einem Halbester ist R²=H. ⓘ

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 auch Carbonate genannt und unter Kohlensäureester beschrieben. Polymere Carbonate haben die allgemeine Strukturformel (O−R−O−C(=O)−)_n und werden unter Polycarbonate behandelt. ⓘ

Von der in freier Form nicht existierenden Orthokohlensäure (C(OH)₄) leiten sich die Orthokohlensäureester mit der Strukturformel C(OR)₄ ab. ⓘ

Struktur und Bindung

Das Carbonat-Ion ist das einfachste Oxokohlenstoff-Anion. Es besteht aus einem Kohlenstoffatom, das von drei Sauerstoffatomen umgeben ist, in einer trigonal-planaren Anordnung mit D_3h-Molekülsymmetrie. Es hat eine Molekülmasse von 60,01 g/mol und trägt eine formale Gesamtladung von -2. Es ist die konjugierte Base des Hydrogencarbonat- (Bicarbonat-) Ions, HCO-
₃, das die konjugierte Base von H
₂CO
₃, der Kohlensäure, ist. ⓘ

Die Lewis-Struktur des Carbonat-Ions hat zwei (lange) Einfachbindungen zu negativen Sauerstoffatomen und eine kurze Doppelbindung zu einem neutralen Sauerstoffatom. ⓘ

Diese Struktur ist unvereinbar mit der beobachteten Symmetrie des Ions, die voraussetzt, dass die drei Bindungen gleich lang sind und die drei Sauerstoffatome gleichwertig sind. Wie im Fall des isoelektronischen Nitrat-Ions kann die Symmetrie durch eine Resonanz zwischen drei Strukturen erreicht werden:

Diese Resonanz lässt sich durch ein Modell mit fraktionierten Bindungen und delokalisierten Ladungen zusammenfassen:

Chemische Eigenschaften

Metallcarbonate zersetzen sich im Allgemeinen beim Erhitzen, wobei Kohlendioxid aus dem langfristigen Kohlenstoffkreislauf in den kurzfristigen Kohlenstoffkreislauf freigesetzt wird und ein Oxid des Metalls zurückbleibt. Dieser Vorgang wird als Kalzinierung bezeichnet, nach calx, dem lateinischen Namen für Branntkalk oder Kalziumoxid, CaO, das durch Rösten von Kalkstein in einem Kalkofen gewonnen wird. ⓘ

Ein Karbonatsalz bildet sich, wenn ein positiv geladenes Ion, M⁺
, M²⁺
oder M³⁺
sich mit den negativ geladenen Sauerstoffatomen des Ions durch elektrostatische Anziehung verbindet und eine ionische Verbindung bildet:

2 M⁺
+ CO2-
₃ → M
₂CO
_{3 ⓘ}

M²⁺
+ CO2-
₃ → MCO
_{3 ⓘ}

2 M³⁺
+ 3 CO2-
₃ → M
₂(CO
₃)
_{3 ⓘ}

Die meisten Carbonatsalze sind bei Standardtemperatur und -druck in Wasser unlöslich, mit Löslichkeitskonstanten von weniger als 1×10-8. Ausnahmen sind Lithium-, Natrium-, Kalium-, Rubidium-, Cäsium- und Ammoniumcarbonate sowie viele Urancarbonate. ⓘ

In wässriger Lösung befinden sich Carbonat, Bicarbonat, Kohlendioxid und Kohlensäure in einem dynamischen Gleichgewicht. Unter stark basischen Bedingungen überwiegt das Carbonat-Ion, während unter schwach basischen Bedingungen das Bicarbonat-Ion vorherrscht. Unter saureren Bedingungen ist wässriges Kohlendioxid, CO₂(aq), die Hauptform, die sich mit Wasser, H₂O, im Gleichgewicht mit der Kohlensäure befindet - das Gleichgewicht liegt stark zugunsten des Kohlendioxids. Natriumcarbonat ist also basisch, Natriumbicarbonat ist schwach basisch, während Kohlendioxid selbst eine schwache Säure ist. ⓘ

Kohlensäurehaltiges Wasser entsteht durch Lösen von CO₂ in Wasser unter Druck. Wenn der Partialdruck von CO₂ verringert wird, z. B. wenn eine Dose Soda geöffnet wird, verschiebt sich das Gleichgewicht für jede der Karbonatformen (Karbonat, Bikarbonat, Kohlendioxid und Kohlensäure), bis die CO₂-Konzentration in der Lösung gleich der Löslichkeit von CO₂ bei dieser Temperatur und diesem Druck ist. In lebenden Systemen beschleunigt ein Enzym, die Kohlensäureanhydrase, die Umwandlung von CO₂ und Kohlensäure. ⓘ

Obwohl die Carbonatsalze der meisten Metalle in Wasser unlöslich sind, gilt dies nicht für die Bicarbonatsalze. In Lösung ändert sich dieses Gleichgewicht zwischen Carbonat, Bicarbonat, Kohlendioxid und Kohlensäure ständig in Abhängigkeit von den wechselnden Temperatur- und Druckverhältnissen. Im Falle von Metallionen mit unlöslichen Karbonaten, wie CaCO₃, kommt es zur Bildung unlöslicher Verbindungen. Dies ist eine Erklärung für die durch hartes Wasser hervorgerufene Kesselsteinbildung in Rohrleitungen. ⓘ

• Reaktion zwischen Kohlensäure und Calciumcarbonat:

$\mathrm {CaCO_{3}+H_{2}O+CO_{2}\longrightarrow Ca(HCO_{3})_{2}}$

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 ⓘ

Basische Reaktion

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

$\mathrm {CO_{3}^{2-}+H_{2}O\rightleftharpoons HCO_{3}^{-}+OH^{-}}$ ⓘ

Dieses Gleichgewicht liegt zwar auf der linken Seite, durch die erhöhte Konzentration an Hydroxidionen reagieren Lösungen von Carbonaten aber deutlich alkalisch. ⓘ

Carbonat in der anorganischen Nomenklatur

Die systematische additive IUPAC-Bezeichnung für das Carbonat-Anion ist Trioxidocarbonat(2-). In ähnlicher Weise wird das Cyanid-Anion CN- als Nitridocarbonat(1-) bezeichnet. Die gleiche Logik für Carbonat(4-) (Orthokohlensäure) in der systematischen additiven Nomenklatur anzuwenden, macht jedoch keinen Sinn, da diese Art unter normalen Temperatur- und Druckbedingungen nie identifiziert wurde. Orthokohlensäure ist energetisch wesentlich instabiler als Orthokieselsäure und kann unter normalen Bedingungen aufgrund der energetisch ungünstigen Orbitalkonfiguration eines einzelnen zentralen Kohlenstoffatoms, das an vier Sauerstoffatome gebunden ist, nicht existieren. ⓘ

Organische Carbonate

In der organischen Chemie kann sich ein Carbonat auch auf eine funktionelle Gruppe innerhalb eines größeren Moleküls beziehen, die ein Kohlenstoffatom enthält, das an drei Sauerstoffatome gebunden ist, von denen eines doppelt gebunden ist. Diese Verbindungen werden auch als Organocarbonate oder Carbonatester bezeichnet und haben die allgemeine Formel ROCOOR′ bzw. RR′CO₃. Wichtige Organocarbonate sind Dimethylcarbonat, die zyklischen Verbindungen Ethylencarbonat und Propylencarbonat sowie der Phosgen-Ersatz Triphosgen. ⓘ

Puffer

Es wirkt im Blut wie ein Puffer: Wenn der pH-Wert niedrig ist, ist die Wasserstoffionenkonzentration zu hoch, so dass man CO₂ ausatmet. Dadurch verschiebt sich die Gleichung nach links, wodurch die Konzentration der H⁺-Ionen im Wesentlichen sinkt und der pH-Wert basischer wird. ⓘ

Wenn der pH-Wert zu hoch ist, ist die Wasserstoffionenkonzentration im Blut zu niedrig, so dass die Nieren Bikarbonat (HCO-
₃). Dadurch verschiebt sich die Gleichung nach rechts, wodurch die Wasserstoffionenkonzentration im Wesentlichen steigt und der pH-Wert saurer wird. ⓘ

Drei wichtige reversible Reaktionen steuern das oben beschriebene pH-Gleichgewicht:

1. H₂CO₃ ⇌ H⁺ + HCO-
   _{3 ⓘ}

1. H₂CO₃ ⇌ CO₂ + H₂O ⓘ

1. CO₂(aq) ⇌ CO₂(g) ⓘ

Durch das ausgeatmete CO₂(g) wird CO₂(aq) verbraucht, das wiederum H₂CO₃ verbraucht, wodurch die oben erwähnte Verschiebung nach links in der ersten Reaktion nach dem Prinzip von Le Châtelier entsteht. Nach demselben Prinzip scheiden die Nieren bei einem zu hohen pH-Wert Bikarbonat (HCO-
₃) über den Harnstoffzyklus (oder Krebs-Henseleit-Ornithin-Zyklus) als Harnstoff in den Urin. Durch den Entzug von Bicarbonat wird mehr H⁺ aus Kohlensäure (H₂CO₃) erzeugt, die aus CO₂(g) stammt, das bei der Zellatmung entsteht. ⓘ

Entscheidend ist, dass dieser Puffer auch in den Ozeanen funktioniert. Aufgrund der großen Anzahl von Meeresorganismen (insbesondere Korallen), die aus Kalziumkarbonat bestehen, ist er ein wichtiger Faktor für den Klimawandel und den langfristigen Kohlenstoffkreislauf. Eine erhöhte Löslichkeit von Karbonat durch steigende Temperaturen führt zu einer geringeren Produktion von marinem Kalzit und einer erhöhten Konzentration von atmosphärischem Kohlendioxid. Dies wiederum führt zu einem Anstieg der Erdtemperatur. Die Tonnage von CO2-
₃ hat geologische Ausmaße und kann sich im Meer wieder auflösen und in die Atmosphäre gelangen, wodurch der CO₂-Gehalt noch weiter steigt. ⓘ

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. ⓘ

Karbonat-Salze

• Überblick über Karbonate:

Vorhandensein außerhalb der Erde

Es wird allgemein angenommen, dass das Vorhandensein von Karbonaten in Gesteinen ein starker Beweis für das Vorhandensein von flüssigem Wasser ist. Jüngste Beobachtungen des planetarischen Nebels NGC 6302 zeigen, dass Karbonate im Weltraum vorkommen, wo eine ähnliche wässrige Umwandlung wie auf der Erde unwahrscheinlich ist. Es wurden andere Mineralien vorgeschlagen, die zu den Beobachtungen passen würden. ⓘ

Bis vor kurzem wurden Karbonatvorkommen auf dem Mars weder durch Fernerkundung noch durch In-situ-Missionen gefunden, obwohl Marsmeteoriten geringe Mengen davon enthalten. Auf Gusev und Meridiani Planum könnte es Grundwasser gegeben haben. ⓘ

Eigenschaften

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). ⓘ

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 Metallionen in wässriger Lösung bei Reaktion mit Alkalicarbonaten ausgefällt werden. ⓘ

Vorkommen

Carbonate kommen überall in der Natur vor, meist in Form verschiedener Minerale. In der Systematik der Minerale nach Strunz (9. Auflage) bilden sie zusammen mit den verwandten Nitraten eine gemeinsame Mineralklasse. In der veralteten 8. Auflage der Strunz'schen Systematik sowie in der im englischen Sprachraum gebräuchlichen Systematik der Minerale nach Dana sind zusätzlich noch die Borate mit in die Klasse aufgenommen. ⓘ

Wichtige bzw. bekannte Vertreter der Carbonate sind unter anderem das Bariumcarbonat Witherit; die Calciumcarbonate Aragonit, Calcit und Vaterit; das Eisencarbonat Siderit (Eisenspat); die basischen Kupfercarbonate Azurit und Malachit; das Magnesiumcarbonat Magnesit; das Mangancarbonat Rhodochrosit (Manganspat); die Natriumcarbonate Gaylussit, Natrit, Pirssonit, Soda und Trona, das Zinkcarbonat Smithsonit (Zinkspat) sowie Bastnäsit als Rohstoff zur Gewinnung der Metalle der Seltenen Erden. Weitere Vertreter der Carbonatfamilie sind Dolomit (Calciummagnesiumcarbonat) und die in der Natur nur als Stoffgemisch bekannte „Pottasche“ (Kaliumcarbonat). Die Gesamtmenge des in der Lithosphäre enthaltenen Kohlenstoffs beträgt etwa 2,9·10¹⁶ t. ⓘ

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. Geologisch betrachtet treten Carbonate meist als Sedimentite (Kalkstein) seltener Metamorphite oder gar magmatische Gesteine (Karbonatit) auf. ⓘ

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  Calcit

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  Aragonit

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  Magnesit

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  Dolomit (weiß) und Magnesit (gelb)

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  Siderit

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  Azurit (blau) und Malachit (grün)

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  Rhodochrosit (rot)

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  Violett- bis rosafarbener Smithsonit

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  Strontianit

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  Witherit ⓘ