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.
Carbonate sind die Salze der Kohlensäure. Die allgemeine Summenformel der Carbonate lautet: MxCO3.
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 (CO32-) 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
Symmetrisch: die räumliche Anordnung der Atome oder Atomgruppen eines Moleküls, sie sich beispielsweise an einer Ebene spiegeln und somit deckungsgleich sind.
Trigonal-planar: eine regelmäßige Anordnung von drei Liganden, die die Eckpunkte um ein Zentralteilchen bilden. Die Liganden formen also ein Dreieck.
Mesomeriestabilisiert: Moleküle oder mehratomige Ionen, die schwer in Strukturformeln darstellbar sind. Deshalb werden bestimmte Grenzformeln verwendet, die "wahre" Struktur liegt dann zwischen diesen Grenzstrukturen.
Delokalisierung: Elektronen einer Atomgruppe/eines Moleküls, die nicht genau lokalisierbar sind, weil sie sich über das ganze Atom erstrecken.
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.
In der Chemie man unter der Fällung (auch Präzipitation genannt) die Ausscheidung eines gelösten Stoffes in einer Lösung. Dieses Prinzip funktioniert, indem die Löslichkeit, aufgrund veränderter Umgebungsbedingungen, überschritten wird.
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 CO32-.
Entstehung der Carbonate
Carbonate entstehen, wenn Kohlensäure mit Metallen oder Metalloxiden reagiert. Mit Magnesium sieht die Reaktionsgleichung dann folgendermaßen aus:
Magnesium und Kohlensäure reagieren zu Magnesiumcarbonat und Wasserstoff.
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
Für die Gesteinsbildung von Gebirgen wie den Dolomiten sind Dolomit und Calcit (Calciumcarbonat) verantwortlich.
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.
Das Solvay-Verfahren: Das Solvay-Verfahren (auch Ammoniak-Soda-Verfahren genannt) ist ein chemischer Prozess, mit man Natriumcarbonat hergestellt werden kann. Dabei geht man von den Rohstoffen Kalk, also Calciumcarbonat, und Kochsalz, Natriumchlorid, aus.
Pottasche: Der fachsprachliche Name lautet Kaliumcarbonat (K2CO3). Der "Trivialname" wird dagegen "Pottasche" bezeichnet. Es handelt sich dabei um ein Alkali und um das Kaliumsalz der Kohlensäure.
Die Bezeichnung Pottasche stammt von einer alten Methode, in der Kaliumcarbonat aus Pflanzenasche angereichert, anschließend gewaschen und in Pötten (Töpfen) eingedampft wurde.
Weitere Einsatzgebiete der Carbonate
Carbonate finden in der Lebensmittelindustrie vielfältigen Einsatz.
Carbonate werden unter anderem als Backtreibmittel, Säureregulator, Trennmittel, Farbstoff, Konservierungsstoff oder Trägerstoff verwendet.
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)
Carbonate - Das Wichtigste
- Carbonate sind die Salze der Kohlensäure (H2CO3), die bei der Dissoziation entstehen.
Die allgemeine Formel der Carbonate lautet MxCO3.
Carbonate entstehen, wenn Kohlensäure mit Metallen oder Metalloxiden reagieren.
- Carbonate gehören zur Gruppe der anorganischen Kohlenstoffverbindungen.
- Nur Alkalicarbonate sind gut wasserlöslich, das Gegenpol bilden alle anderen Carbonate.
- Durch die Reaktion von Kohlenstoffdioxid mit einer Bariumhydroxid-Lösung können Carbonate nachgewiesen werden.
- Natürliche Carbonate finden sich hauptsächlich in Mineralien.
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