Carbonate

Carbonate sind Salze der Kohlensäure (H₂CO₃), die bei der Dissoziation entstehen. Das Carbonat-Ion CO₃²⁻ wird bei der Dissoziation der Kohlensäure zuletzt gebildet. Hier wird zwischen primären Carbonaten (Hydrogencarbonate) und sekundären Carbonaten unterschieden. Carbonate, die in der Natur vorkommen, werden häufig als Spate bezeichnet.

Carbonate - Definition

Wenn Kohlensäure H₂CO₃ dissoziiert, entstehen die Salze der Kohlensäure – die Carbonate.

Die primären Carbonate haben die allgemeine Formel MHCO₃, die Formel der sekundären Carbonate lautet M₂CO₃. Das M in der Summenformel steht für das Metall, das in den Salzen enthalten ist.

Der elementare Kohlenstoff wird der organischen Chemie zugeordnet. Dabei reagiert Kohlenstoff mit sich selbst oder anderen Elementen. Seine Oxide (Kohlenstoffmonoxid CO oder Kohlenstoffdioxid CO₂) und Carbonate gehören jedoch zur Gruppe der anorganischen Kohlenstoffverbindungen.

Carbonate - die wichtigsten Eigenschaften

Carbonate bestehen aus dem Carbonat-Ion (CO₃^2-) und einem Metallion. Das Carbonat-Ion ist zweifach negativ geladen und stellt den Säurerest dar. Die Carbonate können an Säure-Base-Reaktionen teilhaben.

Das Anion der Kohlensäure ist symmetrisch, trigonal-planar und mesomeriestabilisiert. Der Bindungswinkel beträgt 120°. Das Kohlenstoffatom verfügt dabei über drei sp²- Hybridorbitale und einem p-Orbital, das nicht hybridisiert ist. Die π - Bindung ist nicht genau lokalisiert, sondern verteilt sich über alle vier Atome – dies ist an den "wandernden" Doppelbindungen (Mesomere Grenzstrukturen) zu erkennen.

Abbildung 1: Mesomere Grenzstrukturen des Carbonat-Ions

Reaktion von einem Carbonat mit Wasser

Reagiert ein Carbonat mit Wasser, entstehen Hydrogencarbonationen HCO₃^- und Hydroxidionen OH^-. Dabei reagiert das Carbonat-Ion als Base mit dem Wassermolekül.

Löslichkeit der Carbonate

Nur Alkalicarbonate (bspw. Natrium- und Kaliumcarbonat) sind gut wasserlöslich. Den Gegenpol bilden alle anderen Carbonate – diese sind nur schwer in Wasser löslich. Dadurch kannst Du in einer wässrigen Lösung mit Alkalicarbonaten die Metallionen ausfällen.

Chemisches Gleichgewicht der Carbonate

Das chemische Gleichgewicht wird hier auch als "Kalk-Kohlensäure-Gleichgewicht" bezeichnet. Wird CO₂ in Wasser gelöst, reagiert es mit den Wassermolekülen H₂O. Dabei entsteht Kohlensäure H₂CO₃. Dissoziiert, also zerfällt, die Kohlensäure wieder, bildet sie Hydroniumionen H₃O⁺, Hydrogencarbonationen HCO₃^- und Carbonationen CO₃^2-.

Entstehung der Carbonate

Nachweis der Carbonate

Carbonate können durch eine Reaktion von Kohlenstoffdioxid mit Bariumhydroxid-Lösung nachgewiesen werden.

Du kannst ein Carbonat nachweisen, indem Du eine kleine Menge der zu untersuchenden Substanz in ein Reagenzglas gibst. Im nächsten Schritt füllst Du Barytwasser (eine gesättigte Bariumhydroxid-Lösung Ba(OH)_{2 (aq)}) in ein sogenanntes Gärröhrchen, bis die beiden Glaskügelchen ungefähr bis zur Hälfte mit Flüssigkeit befüllt sind.

Abbildung 2: Nachweis von Carbonaten mit Hilfe eines GärröhrchensQuelle: link.springer.com

Danach gibst Du 2–3 Tröpfchen Salzsäure (HCl_(aq)) in das vorher vorbereitete Reagenzglas – daraufhin müsste die Substanz anfangen zu blubbern. Als Nächstes dichtest Du das Reagenzglas mithilfe des Gärröhrchens, mitsamt der Flüssigkeit, oben ab.

Nach kurzer Zeit fängt es auch im Gärröhrchen an zu blubbern. Das ist jedoch nicht das Wichtige an dieser Reaktion. Vielmehr solltest Du darauf achten, ob sich das Aussehen des Barytwassers verändert hat. Anfangs war diese glasklar, nach Ablaufen der Reaktion ist sie trüb. Das bedeutet, es ist Carbonat in der Substanz enthalten.

Es lassen sich folgende Reaktionsgleichungen aufstellen:

Das Blubbern im Reagenzglas hat das Kohlenstoffdioxid ausgelöst. Das entsteht, wenn eine starke Säure mit einem Carbonat reagiert. Dieses Gas ist im folgenden Schritt auch in das Gärröhrchen aufgestiegen, wo es mit dem Barytwasser reagiert hat. Dabei kommt es zu folgender Reaktion:

Das Kohlenstoffdioxid reagiert mit dem Barytwasser zu Bariumcarbonat BaCO₃ und Wasser. Bariumcarbonat fällt als wasserunlöslicher Feststoff aus und sorgt so für die Trübung der Flüssigkeit.

Vorkommen der Carbonate in der Natur und Verwendung

Carbonate finden sich hauptsächlich in Mineralien. Dazu zählen zum Beispiel Calcit, Aragonit, Dolomit, oder Cerussit. Die Konzentration an Carbonaten in Mineralien ist jedoch gering.

Calciumcarbonat

In Calcit befindet sich Calciumcarbonat. Calcit ist auch unter dem Namen Kalkspalt bekannt. Calciumcarbonat kann nach der Extraktion aus Calcit für viele Einsatzbereiche verwendet werden:

• Bauindustrie: Herstellung von Mörtel
• Medizin: Mittel gegen Sodbrennen
• Landwirtschaft: Neutralisation übersäuerter Böden

Kaliumcarbonat

Das Carbonat des Kaliums findet sich in Holzasche und in Salzseen, wie dem Toten Meer. Die Gallier haben damals das Kaliumcarbonat für die Seifenherstellung verwendet.

Natriumcarbonat komtm auch in Seen vor, wie beispielsweise in Karlsbad in den Heilquellen. Dieses kommt vorwiegend in der Glasindustrie, aber auch als Zwischenprodukt in der chemischen Industrie zum Einsatz.

Aufgrund der vielfältigen natürlichen Vorkommen werden nur wenige Carbonate technisch hergestellt. Darunter gehören zum Beispiel Soda, das nach dem Solvay-Verfahren hergestellt wird. Pottasche wird hingegen durch die Carbonisierung von Kalilauge gewonnen.

Weitere Einsatzgebiete der Carbonate

Carbonate finden in der Lebensmittelindustrie vielfältigen Einsatz.

Ammoniumcarbonat gehört zur Gruppe der Hirschhornsalze. Es kommt hauptsächlich als chemisches Lockerungsmittel für die Teigzubereitung zum Einsatz. Dieses Carbonat dient somit als Backtreibmittel.

Kaliumcarbonat wiederum gehört zur Gruppe der Pottasche und kann auch als Backtreibmittel verwendet werden.

Calciumcarbonat dient als Säureregulator, Trennmittel und als Farbstoff.

Wichtige Carbonate im Überblick

Es wird unter vielen verschiedenen Carbonaten unterschieden. Ein paar hast Du bereits kennengelernt. Sie tragen meist historische Namen. Im Folgenden findest Du die wichtigsten Carbonate zusammengefasst:

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