Die Chemie des Kohlenstoffs ist umfangreich; Der größte Teil dieser Chemie ist jedoch für dieses Kapitel nicht relevant. Die anderen Aspekte der Chemie des Kohlenstoffs werden im Kapitel über die organische Chemie erscheinen. In diesem Kapitel werden wir uns auf das Carbonation und verwandte Substanzen konzentrieren. Die Metalle der Gruppen 1 und 2 sowie Zink, Cadmium, Quecksilber und Blei (II) bilden ionische Carbonate – Verbindungen, die die Carbonatanionen enthalten, {\text{CO}}_{3}^{2-}. Die Metalle der Gruppe 1, Magnesium, Calcium, Strontium und Barium bilden auch Hydrogencarbonate — Verbindungen, die das Hydrogencarbonatanion {\text {HCO} enthalten}}_{3}^{-}, auch bekannt als Bicarbonat-Anion.

Mit Ausnahme von Magnesiumcarbonat können Carbonate der Metalle der Gruppen 1 und 2 durch Umsetzung von Kohlendioxid mit dem jeweiligen Oxid oder Hydroxid hergestellt werden. Beispiele für solche Reaktionen sind:

{\text{Na}}_{2}\text{O}\left(s\right)+{\text{CO}}_{2}\left(g\right)\longrightarrow{\text{Na}}_{2}{\text{CO}}_{3}\left(s\right)
\text{Ca}{\left(\text{OH}\right)}_{2}\left(s\right)+{\text{CO}}_{2}\left(g\right)\longrightarrow{\text{CaCO}}_{3}\left(s\right)+{\text{H}}_{2}\text{O}\left(l\right)

Die Carbonate der Erdalkalimetalle der Gruppe 12 und Blei(II) sind nicht löslich. Diese Carbonate fallen beim Mischen einer Lösung löslichen Alkalicarbonats mit einer Lösung löslicher Salze dieser Metalle aus. Beispiele für nettonionische Gleichungen für die Reaktionen sind:

{\text{Ca}}^{2+}\left(aq\right)+{\text{CO}}_{3}{}^{2-}\left(aq\right)\longrightarrow{\text{CaCO}}_{3}\left(s\right)
{\text{Pb}}^{2+}\left(aq\right)+{\text{CO}}_{3}{}^{2-}\left(aq\right)\longrightarrow{\text{PbCO}}_{3}\left(s\right)

Perlen und die Schalen der meisten Mollusken sind Calciumcarbonat. Zinn(II) oder eines der drei- oder vierwertigen Ionen wie Al 3+ oder Sn 4+ verhalten sich bei dieser Reaktion anders als Kohlendioxid und die entsprechende Oxidform anstelle des Carbonats.

Alkalimetallhydrogencarbonate wie NaHCO3 und CsHCO3 bilden sich durch Sättigen einer Lösung der Hydroxide mit Kohlendioxid. Die nettoionische Reaktion beinhaltet Hydroxidion und Kohlendioxid:

{\text{OH}}^{-}\left(aq\right)+{\text{CO}}_{2}\left(aq\right)\longrightarrow{\text{HCO}}_{3}{}^{-}\left(aq\right)

Es ist möglich, die Feststoffe durch Verdampfen des Wassers aus der Lösung zu isolieren.

Obwohl sie in reinem Wasser unlöslich sind, lösen sich Erdalkalicarbonate leicht in kohlendioxidhaltigem Wasser, da sich Hydrogencarbonatsalze bilden. Zum Beispiel bilden sich Höhlen und Dolinen in Kalkstein, wenn sich CaCO3 in Wasser löst, das gelöstes Kohlendioxid enthält:

{\text{CaCO}}_{3}\left(s\right)+{\text{CO}}_{2}\left(aq\right)+{\text{H}}_{2}\text{O}\left(l\right)\longrightarrow{\text{Ca}}^{2+}\left(aq\right)+{\text{2HCO}}_{3}{}^{-}\left(aq\right)

Hydrogencarbonate der Erdalkalimetalle bleiben nur in Lösung stabil; durch Verdampfen der Lösung entsteht das Carbonat. Stalaktiten und Stalagmiten, wie die in Abbildung 1 gezeigten, bilden sich in Höhlen, wenn Wassertropfen, die gelöstes Calciumhydrogencarbonat enthalten, verdampfen und eine Ablagerung von Calciumcarbonat hinterlassen.

Die beiden kommerziell in den größten Mengen verwendeten Carbonate sind Natriumcarbonat und Calciumcarbonat. In den Vereinigten Staaten wird Natriumcarbonat aus dem Mineral Trona, Na3 (CO3) (HCO3) (H2O)2 extrahiert. Nach der Umkristallisation, um Ton und andere Verunreinigungen zu entfernen, erzeugt das Erhitzen der umkristallisierten Trona Na2CO3:

{\text{2Na}}_{3}\left({\text{CO}}_{3}\right)\left({\text{HCO}}_{3}\right){\left({\text{H}}_{2}\text{O}\right)}_{2}\left(s\right)\longrightarrow{\text{3Na}}_{2}{\text{CO}}_{3}\left(s\right)+{\text{5H}}_{2}\text{O}\left(l\right)+{\text{CO}}_{2}\left(g\right)

Carbonate sind mäßig starke Basen. Wässrige Lösungen sind basisch, da das Carbonation in dieser reversiblen Reaktion Wasserstoffionen aus Wasser aufnimmt:

{\text{CO}}_{3}{}^{2-}\left(aq\right)+{\text{H}}_{2}\text{O}\left(l\right)\rightleftharpoons{\text{HCO}}_{3}{}^{-}\left(aq\right)+{\text{OH}}^{-}\left(aq\right)

Carbonate reagieren mit Säuren, um Salze des Metalls, gasförmiges Kohlendioxid und Wasser zu bilden. Die Reaktion von Calciumcarbonat, dem Wirkstoff der Antazida Tums, mit Salzsäure (Magensäure), wie in Abbildung 2 gezeigt, veranschaulicht die Reaktion:

{\text{CaCO}}_{3}\left(s\right)+\text{2HCl}\left(aq\right)\longrightarrow{\text{CaCl}}_{2}\left(aq\right)+{\text{CO}}_{2}\left(g\right)+{\text{H}}_{2}\text{O}\left(l\right)p Andere Anwendungen von Carbonaten umfassen die Glasherstellung – wo Karbonationen als Quelle von Oxidionen dienen – und die Synthese von Oxiden.

Hydrogencarbonate sind amphoter, weil sie sowohl als schwache Säuren als auch als schwache Basen wirken. Hydrogencarbonationen wirken als Säuren und reagieren mit Lösungen löslicher Hydroxide zu einem Carbonat und Wasser:

{\text{KHCO}}_{3}\left(aq\right)+\text{KOH}\left(aq\right)\longrightarrow{\text{K}}_{2}{\text{CO}}_{3}\left(aq\right)+{\text{H}}_{2}\text{O}\left(l\right)

Hydrogencarbonate bilden mit Säuren ein Salz, Kohlendioxid und Wasser. Backpulver (Natriumbicarbonat oder Natriumbicarbonat) ist Natriumhydrogencarbonat. Backpulver enthält Backpulver und eine feste Säure wie Kaliumhydrogentartrat (Zahnsteincreme), KHC4H4O6. Solange das Pulver trocken ist, tritt keine Reaktion auf; Unmittelbar nach der Zugabe von Wasser reagiert die Säure mit den Hydrogencarbonationen unter Bildung von Kohlendioxid:

{\text{HC}}_{4}{\text{H}}_{4}{\text{O}}_{6}{}^{-}\left(aq\right)+{\text{HCO}}_{3}{}^{-}\left(aq\right)\longrightarrow{\text{C}}_{4}{\text{H}}_{4}{\text{O}}_{6}{}^{2-}\left(aq\right)+{\text{CO}}_{2}\left(g\right)+{\text{H}}_{2}\text{O}\left(l\right)

Teig fängt das Kohlendioxid ein, wodurch es sich während des Backens ausdehnt und die charakteristische Textur von Backwaren erzeugt.

Glossar

Bicarbonat-Anion: salz des Hydrogencarbonat-Ions, {\text{HCO}}_{3}{}^{-}

Carbonat: Salz des Anions {\text{CO}}_{3}{}^{2-}; oft gebildet durch die Reaktion von Kohlendioxid mit Basen

Hydrogencarbonat: Salz der Kohlensäure, H2CO3 (enthält das Anion {\text{HCO}}_{3}{}^{-} ) in dem ein Wasserstoffatom ersetzt wurde; ein saures Carbonat; auch bekannt als Bicarbonat-Ion