Organische Chemie

Carbonat

In diesem Artikel lernst du mehr über das Carbonat und das Carbonat-Ion, die stammen nämlich von der Kohlensäure ab. Damit du dir mehr darunter vorstellen kannst, zeigen wir dir neben den Eigenschaften auch einige Reaktionen und Beispiele wie Natron, die du in der Küche finden kannst.

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Inhaltsübersicht

Carbonat einfach erklärt

Carbonate sind die Salze, die bei der Dissoziation von Kohlensäure H2CO3 entstehen. Die primären Carbonate (Hydrogencarbonate) haben die allgemeine Formel MHCO3 und die sekundären haben die allgemeine Formel M2CO3. Bei der Dissoziation der Kohlensäure wird das Carbonat-Ion CO32- zuletzt gebildet.

Was ist Carbonat?

Bei der Dissoziation der Kohlensäure H2CO3 entstehen Salze, die Carbonate. Primäre Carbonate sind die Hydrogencarbonate mit der allgemeinen Formel MHCO3 und die sekundären Carbonate haben die allgemeine Formel M2CO3. Das ‚M‘ steht hier für Metall, weil die Salze Metalle, wie zum Beispiel Alkalimetalle, enthalten.

Vielleicht ist es dir bereits aufgefallen: Bei den primären Carbonaten wurde ein Wasserstoffatom durch ein Metallatom ersetzt und bei den sekundären wurden 2 Wasserstoffatome ersetzt. Die Kohlensäure besitzt 2 Wasserstoffatome und ist damit eine zweiprotonige Säure, die in 2 Schritten dissoziiert. Allerdings ist die Kohlensäure in Wasser instabil, weshalb die Lösung statt der Kohlensäure fast ausschließlich CO2-Moleküle enthält. Die Dissoziation der Kohlensäure in wässriger Lösung sieht dann so aus:

  1. Dissoziationsschritt:   CO2 + H2O ⇌ H+ + HCO3
  2. Dissoziationsschritt:      HCO3 ⇌ H+ + CO32-
Carbonat Formel

Die allgemeine Formel der Carbonate kannst du folgendermaßen schreiben:

MxCO3

Carbonat Eigenschaften

Carbonate bilden also mit Metallen ionische Salze, die bei Raumtemperatur als kristalline Feststoffe vorliegen. Beim Erhitzen zerfallen die Carbonate dann zu CO2 und Metalloxiden. Allgemein sind Carbonate farb- und geruchlos, was sich aber durch die Bindung zu Metallen ändern kann. In Wasser sind nur die Alkalicarbonate gut löslich, alle anderen Carbonate sind schwer wasserlöslich. Dadurch können Metallionen in wässriger Lösung mit Alkalicarbonaten ausgefällt werden. Das chemische Gleichgewicht der Kohlensäure in wässriger Lösung siehst du in der folgenden Gleichung, wobei das Gleichgewicht sehr stark auf der linken Seite liegt.

CO2 + H2O ⇌ H2CO3

Reaktionen von Carbonaten

Wie bereits beschrieben, zerfallen Metallcarbonate beim Erhitzen, allerdings sind die Alkalicarbonate eine Ausnahme und schmelzen lediglich. Der Prozess des Zerfalls beim Erhitzen heißt auch Calcinieren. Dabei entstehen CO2 und das jeweilige Metalloxid MO. Diese Reaktion mit Calcium kannst du verwenden um Branntkalk durch Kalkbrennen bei 900 bis 1200 °C herzustellen:

CaCO3 \rightarrow CaO + CO2

Soda wird durch das Solvay-Verfahren hergestellt. Beim Einleiten von Ammoniak und anschließend Kohlendioxid in eine gesättigte Natriumchloridlösung (Kochsalzlösung) NaCl entsteht das schwer lösliche Natriumhydrogencarbonat (auch bekannt als Natron) NaHCO3.

2 NaCl + 2 NH3 + 2 H2O + 2 CO2 \rightarrow 2 NaHCO3 + 2 NH4Cl

Beim anschließenden Erhitzen kannst du schließlich Soda (Natriumcarbonat) Na2CO3 gewinnen.

2 NaHCO3 \rightarrow Na2CO3 + CO2 + H2O

Weitere Carbonate werden hergestellt, indem Kohlendioxid in die jeweilige alkalische Hydroxid-Lösung eingeleitet wird, zum Beispiel Kaliumcarbonat K2CO3.

2 KOH + CO2 ⇌ K2CO3 + H2O

Allgemein können Carbonate in Wasser dissoziieren. Zum Beispiel dissoziiert Magnesiumcarbonat MgCO3 zum Magnesiumkation Mg2+ und dem Carbonat-Ion.

MgCO3 \rightarrow Mg2+ + CO32-

Carbonat-Ion

Das zuletzt gebildete CO32- bei der Dissoziation ist das Carbonat-Ion oder auch Carbonat-Anion genannt. Das Carbonat-Ion kann also mit Metallen, wie zum Beispiel mit den Alkalimetallen, Salze bilden und im Wasser wieder dissoziieren. Es handelt sich um ein symmetrisches, trigonal-planares und mesomeriestabilisiertes Anion. Das Kohlenstoffatom hat drei sp2Hybridorbitale und ein nicht hybridisiertes p-Orbital . Die einzelne \pi-Bindung ist delokalisiert, geht also über alle Atome des Carbonat-Ions.%Bild von den mesomeren Grenzstrukturen

Carbonat-Ionen können an einer Säure-Base -Reaktion beteiligt sein. Bei der Reaktion mit Wasser entstehen Hydrogencarbonationen HCO3 und Hydroxidionen OH.

CO32- + H2O ⇌ HCO3 + OH

Carbonat Nachweis

Eine Möglichkeit Carbonat nachzuweisen haben wir bereits erwähnt. Beim Einleiten von Kohlendioxid in eine alkalische Hydroxid-Lösung wird das Carbonat, dass dabei entsteht, ausgefällt. Lässt du Kohlendioxid in eine Bariumhydroxid-Lösung Ba(OH)2, dann entsteht eine weiße Trübung, das Bariumcarbonat BaCO3.

Ba(OH)2 (aq) + CO2 (g) \rightarrow BaCO3 \downarrow + H2O (l)

Eine weitere Möglichkeit Carbonat-Ionen nachzuweisen ist die Zugabe von Salzsäure HCl. Dabei bildet sich das Gas Kohlendioxid, was du an der Blasenbildung erkennen kannst.

CO32- + 2 HCl \rightarrow CO2 \uparrow + 2 Cl + H2O

Wichtige Carbonate

Es gibt ziemlich viele verschiedene Carbonate. Bisher hast du in diesem Artikel schon einige der wichtigsten kennengelernt. Hier einmal kurz die wichtigsten Carbonate zusammengefasst:

  • Calciumcarbonat (Kalkstein, Kalkspat, Marmor, … )
  • Natriumcarbonat (Soda)
  • Natriumhydrogencarbonat (Natron)
  • Kaliumcarbonat (Pottasche)
  • Magnesiumcarbonat
  • Ammoniumhydrogencarbonat (Hirschhornsalz)

Carbonat Vorkommen und Verwendung

Allgemein kommen die Carbonate häufig in Mineralien vor, allerdings meist nur in geringen Mengen. Deshalb ist es leichter, sie auf andere Weise zu beschaffen. 

Calciumcarbonat ist zum Beispiel in Calcit enthalten. Dieses ist auch bekannt unter dem Namen Kalkspat. Calciumcarbonat wird auch tatsächlich hauptsächlich aus der Natur gewonnen. Anschließend wird es noch gereinigt und dann vielseitig verwendet. Während die chemische Industrie Calciumcarbonat für weitere Herstellungsprozesse benötigt, benutzt die Bauindustrie es für die Grundstoffe Branntkalk und Mörtel.

Kaliumcarbonat kannst du in Holzasche oder im Toten Meer finden, also in Salzseen. Anschließend benutzten bereits die Gallier Kaliumcarbonat zur Herstellung von Seife verwendet.

Auch Natriumcarbonat kannst du in Seen finden, zum Beispiel in Karlsbad in den Heilquellen. Danach wird es vor allem in der Glasindustrie verwendet, aber auch als Zwischenprodukt in der chemischen Industrie.


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