hiilen kemia on laaja; suurin osa tästä kemiasta ei kuitenkaan ole tämän luvun kannalta merkityksellinen. Hiilen kemian muut osa-alueet esiintyvät orgaanista kemiaa käsittelevässä luvussa. Tässä luvussa keskitytään karbonaatti-ioniin ja siihen liittyviin aineisiin. Ryhmien 1 ja 2 metallit sekä sinkki, kadmium, elohopea ja lyijy(II) muodostavat ionikarbonaatteja—yhdisteitä, jotka sisältävät karbonaattianioneja, {\text{CO}}_{3}^{2-}. Ryhmän 1 metallit, magnesium, kalsium, strontium ja barium muodostavat myös vetykarbonaatteja-yhdisteitä, jotka sisältävät vetykarbonaattianionin, {\text{HCO}}_{3}^{-}, tunnetaan myös nimellä bikarbonaattianioni.

magnesiumkarbonaattia lukuun ottamatta ryhmien 1 ja 2 metallien karbonaatteja voidaan valmistaa hiilidioksidin ja vastaavan oksidin tai hydroksidin välisellä reaktiolla. Esimerkkejä tällaisista reaktioista ovat:

{\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)

ryhmän 12 maa-alkalimetallien karbonaatit ja lyijy(II) eivät liukene. Nämä karbonaatit saostuvat, kun liukoista alkalimetallikarbonaattia sisältävä liuos sekoitetaan näiden metallien liukoisista suoloista koostuvaan liuokseen. Esimerkkejä reaktioiden netto-ioniyhtälöistä ovat:

{\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)

helmet ja useimpien nilviäisten kuoret ovat kalsiumkarbonaattia. Tina (II) tai jokin trivalentti tai tetravalentti ioni kuten Al3+ tai Sn4+ käyttäytyvät tässä reaktiossa eri tavalla hiilidioksidina ja vastaava oksidimuoto karbonaatin sijaan.

alkalimetallien vetykarbonaatit kuten NaHCO3 ja CsHCO3 muodostavat kyllästämällä hydroksidien liuoksen hiilidioksidilla. Netto-ionisessa reaktiossa käytetään hydroksidi-Ionia ja hiilidioksidia:

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

kiintoaine voidaan eristää haihduttamalla vesi liuoksesta.

vaikka emäksiset maakarbonaatit eivät liukene puhtaaseen veteen, ne liukenevat helposti hiilidioksidia sisältävään veteen, koska muodostuu vetykarbonaattisuoloja. Esimerkiksi kalkkikiveen muodostuu luolia ja vajoamia, kun CaCO3 liukenee veteen, joka sisältää liuennutta hiilidioksidia:

{\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)

maa-alkalimetallien Vetykarbonaatit pysyvät stabiileina vain liuoksessa; liuoksen haihtuminen tuottaa karbonaattia. Stalaktiitit ja stalagmiitit, kuten kuvassa 1 esitetyt, muodostuvat luolissa, kun liuennutta kalsiumvetykarbonaattia sisältävät vesipisarat haihtuvat jättäen jäljelle kalsiumkarbonaattiesiintymän.

kaksi kaupallisesti eniten käytettyä karbonaattia ovat natriumkarbonaatti ja kalsiumkarbonaatti. Yhdysvalloissa natriumkarbonaattia uutetaan trona-mineraalista Na3(CO3)(HCO3)(H2O)2. Uudelleenkiteyttämisen jälkeen saven ja muiden epäpuhtauksien poistamiseksi, uudelleenkiteytetyn tronan kuumentaminen tuottaa Na2CO3: a:

{\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)

karbonaatit ovat kohtalaisen vahvoja emäksiä. Vesiliuokset ovat emäksisiä, koska karbonaatti-ioni ottaa vedyn vastaan vedestä tässä palautuvassa reaktiossa:

{\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)

karbonaatit reagoivat happojen kanssa muodostaen metallin, kaasumaisen hiilidioksidin ja veden suoloja. Kalsiumkarbonaatin, antasidien vaikuttavan aineen, reaktio suolahapon (mahahapon) kanssa, kuten kuvassa 2 on esitetty, kuvaa reaktiota:

{\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)

muita karbonaattien käyttökohteita ovat lasin valmistus-jossa karbonaatti-ionit toimivat oksidi—ionien lähteenä-ja oksidien synteesi.

Vetykarbonaatit ovat amfoteerisia, koska ne toimivat sekä heikkoina happoina että heikkoina emäksinä. Vetykarbonaatti-ionit toimivat happoina ja reagoivat liukoisten hydroksidien liuosten kanssa muodostaen karbonaatin ja veden:

{\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)

happojen kanssa vetykarbonaatit muodostavat suolan, hiilidioksidin ja veden. Ruokasooda (soodan bikarbonaatti tai natriumbikarbonaatti) on natriumvetykarbonaatti. Leivinjauhe sisältää ruokasoodaa ja kiinteää happoa, kuten kaliumvetytartraattia (tartarin kerma), KHC4H4O6. Niin kauan kuin jauhe on kuivaa, ei tapahdu reaktiota; heti veden lisäämisen jälkeen happo reagoi vetykarbonaatti-ionien kanssa muodostaen hiilidioksidia:

{\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)

taikina vangitsee hiilidioksidin, jolloin se laajenee paistamisen aikana, jolloin syntyy leivonnaisille ominainen rakenne.

Sanasto

bikarbonaattianioni: vetykarbonaatti-ionin suola, {\text{HCO}}_{3}{}^{-}

karbonaatti: anionin suola {\text{CO}}_{3}{}^{2-}; muodostuu usein hiilidioksidin ja emästen reaktiolla

vetykarbonaatti: hiilihapon suola, H2CO3 (sisältää anionin {\text{HCO}}_{3}{}^{-} ) jossa yksi vetyatomi on korvattu; happokarbonaatti; tunnetaan myös nimellä bikarbonaatti-ioni