La química del carbono es extensa; sin embargo, la mayor parte de esta química no es relevante para este capítulo. Los otros aspectos de la química del carbono aparecerán en el capítulo que cubre la química orgánica. En este capítulo, nos centraremos en el ion carbonato y las sustancias relacionadas. Los metales de los grupos 1 y 2, así como el zinc, cadmio, mercurio y plomo(II), forman carbonatos iónicos, compuestos que contienen los aniones carbonatos, {\text{CO}}_{3}^{2-}. Los metales del grupo 1, magnesio, calcio, estroncio y bario, también forman carbonatos de hidrógeno, compuestos que contienen el anión carbonato de hidrógeno, {\text{HCO}}_{3}^{-}, también conocido como anión bicarbonato.

Con la excepción del carbonato de magnesio, es posible preparar carbonatos de los metales de los grupos 1 y 2 mediante la reacción del dióxido de carbono con el óxido o hidróxido respectivo. Ejemplos de estas reacciones incluyen:

{\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)

Los carbonatos de los metales alcalinos grupo de 12 y plomo(II) no son solubles. Estos carbonatos se precipitan al mezclar una solución de carbonato de metal alcalino soluble con una solución de sales solubles de estos metales. Ejemplos de iónica neta ecuaciones para las reacciones son:

{\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)

las Perlas y las conchas de la mayoría de los moluscos son el carbonato de calcio. El estaño(II) o uno de los iones trivalentes o tetravalentes como Al3+ o Sn4+ se comportan de manera diferente en esta reacción como dióxido de carbono y la forma de óxido correspondiente en lugar del carbonato.

Los carbonatos de hidrógeno de metales alcalinos, como el NaHCO3 y el CsHCO3, se forman saturando una solución de hidróxidos con dióxido de carbono. El iónica neta reacción consiste en hidróxido de litio y dióxido de carbono:

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

es posible aislar los sólidos por la evaporación del agua de la solución.

Aunque son insolubles en agua pura, los carbonatos alcalinotérreos se disuelven fácilmente en agua que contiene dióxido de carbono porque se forman sales de carbonato de hidrógeno. Por ejemplo, las cuevas y sumideros se forman en la piedra caliza cuando el CaCO3 se disuelve en agua que contiene dióxido de carbono disuelto:

{\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)

Los carbonatos de hidrógeno de los metales alcalinotérreos permanecen estables solo en solución; la evaporación de la solución produce el carbonato. Las estalactitas y estalagmitas, como las que se muestran en la Figura 1, se forman en cuevas cuando las gotas de agua que contienen hidrogenocarbonato de calcio disuelto se evaporan para dejar un depósito de carbonato de calcio.

Los dos carbonatos utilizados comercialmente en las mayores cantidades son el carbonato de sodio y el carbonato de calcio. En los Estados Unidos, el carbonato de sodio se extrae del mineral trona, Na3(CO3)(HCO3)(H2O)2. Después de la recristalización para eliminar la arcilla y otras impurezas, el calentamiento del trona recristalizado produce 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)

Carbonatos son moderadamente fuertes bases. Las soluciones acuosas son básicas porque el ion carbonato acepta el ion hidrógeno del agua en esta reacción reversible:

{\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)

Los carbonatos reaccionan con ácidos para formar sales del metal, dióxido de carbono gaseoso y agua. La reacción del carbonato de calcio, el ingrediente activo de los antiácidos Tums, con ácido clorhídrico (ácido estomacal), como se muestra en la Figura 2, ilustra la reacción:

{\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)

Otras aplicaciones de carbonatos incluyen la fabricación de vidrio, donde los iones de carbonato sirven como fuente de iones de óxido, y la síntesis de óxidos.

Los carbonatos de hidrógeno son anfóteros porque actúan como ácidos débiles y bases débiles. Los iones de carbonato de hidrógeno actúan como ácidos y reaccionan con soluciones de hidróxidos solubles para formar un carbonato y agua:

{\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)

Con los ácidos, los carbonatos de hidrógeno forman una sal, dióxido de carbono y agua. El bicarbonato de sodio (bicarbonato de sodio o bicarbonato de sodio) es carbonato ácido de sodio. El polvo de hornear contiene bicarbonato de sodio y un ácido sólido, como tartrato de hidrógeno de potasio (crema de tártaro), KHC4H4O6. Mientras el polvo esté seco, no se produce ninguna reacción; inmediatamente después de la adición de agua, el ácido reacciona con los iones de carbonato de hidrógeno para formar dióxido de carbono:

{\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)

la Masa de la trampa del dióxido de carbono, haciendo que se expanda durante el horneado, la producción de la característica de textura de los productos horneados.

Glosario

el anión bicarbonato: sal del ion hidrogenocarbonato, {\text {HCO}}_{3}{}^{-}carbonato: sal del anión {\text {CO}}_{3}{}^{2-}; a menudo formado por la reacción de dióxido de carbono con bases

carbonato de hidrógeno: sal de ácido carbónico, H2CO3 (que contiene el anión {\text {HCO}}_{3}{}^{-} ) en el que se ha reemplazado un átomo de hidrógeno; un carbonato ácido; también conocido como ion de bicarbonato