A szén oxosavai, sói és néhány szerves sav sója 1. A szénsav és sói

6.6.1.1. A szénsav és sóinak tulajdonságai

A szén-dioxid viszonylag jól oldódik vízben, 0 ^oC-on és 0,1 MPa nyomáson 3,4 g CO2 oldódik 1 liter vízben. Mivel vizes oldata gyengén savas kémhatású, szénsavról beszélünk és a H2CO3 képletet használjuk. Valójában azonban az oldott szén-dioxid több mint 99%-a fizikailag oldva, hidratált molekulák formájában van a vízben. Egy vizes CO2-oldat úgy viselkedik, mint egy gyenge sav, melynek pKS értéke 6,35.

CO₂(aq) + H₂O(f) H⁺(aq) + HCO₃^(aq)

A hidrogén-karbonátion nagyon gyenge sav; pKS értéke 10,33.

HCO₃^(aq) H⁺(aq) + CO₃^2(aq)

A H2CO3-molekulák szilárd halmazállapotban és vízmentes gőzállapotban kinetikailag inertek, ha azonban a vízgőz is jelen van, gyorsan bomlanak CO2-ra és H2O-re.

A hidrogén-karbonátok a szénsav savanyú sói, a karbonátok pedig a szénsav szabályos sói.

Szilárd állapotban stabil hidrogén-karbonátokat csak az alkálifémek képeznek (kivétel a lítium), amelyeket bikarbonátoknak is neveznek. Hevítéskor azonban ezek is karbonáttá bomlanak:

2 NaHCO₃(sz) Na ₂CO₃(sz) + H₂O(g) + CO₂(g)

Ez a reakció az alapja annak, hogy a nátrium-hidrogén-karbonátot tűzoltó készülékek tölteteként is használják. Nemcsak a por maga tűzoltó hatású, de a bomlásakor keletkező szén-dioxid és vízgőz is elfojtja a tüzet. Az élelmiszeripar is felhasználja a nátrium-hidrogén-karbonátot mint sütőport.

Noha általában a hidrogén-karbonátok jobban oldódnak a karbonátoknál (lásd alább), a nátriumvegyületek esetén az oldhatósági sorrend megfordul, s a savanyú só vízben rosszabbul oldódik, mint a nátrium-karbonát. Ezt használják ki az előállításakor.

Az alkáliföldfém-hidrogén-karbonátok csak vizes oldatban léteznek. Ezek keletkezésére legfontosabb példa a mészkő feloldódása CO2-tartalmú vízben. Az oldódás egyensúlyi folyamat.

CaCO₃(sz) + CO₂(aq) + H₂O(f) Ca(HCO₃)₂(aq)

Szinte minden természetes víz tartalmaz kalcium- és magnézium-hidrogén-karbonátot. Ezek okozzák a víz változó keménységét. Az összes többi vízben oldott kalcium- és magnéziumsó adja a víz állandó keménységét. A kemény vizek nem kívánatosak az iparban és a háztartásban, mivel a kemény vizet melegítve, a fenti egyensúly értelmében CO2 távozik a rendszerből, és ez szilárd kalcium-karbonát kiválásával jár együtt (vízkő, kazánkő), ami kazánok esetén robbanáshoz, a háztartásban használatos mosó- vagy mosogatógépek esetén a fűtőszálak hatásfokának csökkenéséhez vagy éppen kiégéséhez vezethet.

A fenti egyensúlyi reakcióra vezethető vissza a cseppkövek keletkezése is: a porózus mészkövön átszivárgó CO2-tartalmú víz feloldja a kalcium-karbonátot kalcium-hidrogén-karbonát formájában. A CO2 csak kisebb mértékben származik a levegőből, inkább a földfelszín humuszrétegeiben keletkezik növények és mikroorganizmusok anyagcsere folyamataiban. A kalcium-karbonáttal telített oldat HCO3

-ionok mellett még dioxidot is tartalmaz. Cseppkő akkor képződik, ha az ilyen oldat szén-dioxidot tud leadni egy CO2-ban szegény barlanglégtérbe. Ekkor a HCO3

/CO3

egyensúly felborul, s az oldat kalcium-karbonátra túltelítetté válik. Az egyensúly a kalcium-karbonát kikristályosodásával áll helyre.

A hidrogén-karbonát-ion savakkal szén-dioxiddá és vízzé bomlik, lúgokkal karbonátiont képez:

HCO3

(aq) + H⁺(aq) = CO2(g) + H2O(f) HCO3

(aq) + OH^(aq) = CO32

(aq) + H2O(f)

Az alkálifém-karbonátok kivételével valamennyi karbonát vízben rosszul oldódik. Az vízben oldható karbonátok hidrolizálnak, oldatuk erősen lúgos kémhatású:

CO₃^2(aq) + H₂O(f) HCO₃^(aq) + OH^(aq)

A karbonátok szén-dioxid keletkezése közben oldódnak a szénsavnál erősebb savakban.

6.6.1.1.1. fénykép. Márvány és sósav reakciója Hevítve fém-oxidra és szén-dioxidra bomlanak (pl. kalcium-karbonát).

CaCO₃(sz) CaO(sz) + CO ₂(g)

A bomlási hőmérséklet azonban erősen függ a kationtól. Termikusan annál stabilabb egy karbonát, minél bázikusabb az adott fém oxidja. Az alkálifém-karbonátok magas hőmérsékleten bomlás nélkül megömleszthetők. A 3+ töltésű kationok nem képeznek karbonátokat. Ezeknek a kationoknak az oxidjai gyakran amfoterek.

6.6.1.2. A karbonátok előállítása

1. Fémsó és Na2CO3 vizes oldatából a vízben nem oldódó karbonát csapadékként leválasztható.

MgCl2(aq) + Na2CO3(aq) = MgCO3(sz) + 2 NaCl2(aq) 2. Fémsó oldatának telítése CO2-gázzal.

 Vízben oldódó karbonátok, illetve hidrogén-karbonátok az oldhatósági viszonyoknak megfelelően kristályosítással kinyerhetők az oldatból.

NaCl(aq) + NH₄HCO₃(aq) NaHCO₃(sz) + NH₄Cl(aq)

 Vízben nem oldódó karbonátok csapadékként kiválnak, ha a szén-dioxid-gázzal telített oldatot közömbösítjük. Ezt az eljárást akkor alkalmazzuk, ha a fém hajlamos bázikus karbonát képzésére.

Co(CH3COO)2(aq) + CO2(g) + H2O(f) = CoCO3(sz) + 2 CH3COOH(aq)

6.6.1.3. A karbonátion analitikai kimutatása

Egy kémcsőbe tegyünk szilárd karbonátot vagy karbonáttartalmú oldatot, és adjunk hozzá feleslegben 2 mólos sósavoldatot. A kémcsövet dugaszoljuk le egy átfúrt gumidugóval, amelynek furatában egy kotyogót rögzítettünk a 6.6.1.3.1. fényképnek megfelelően. A kotyogóba tegyünk egy-két csepp telített Ba(OH)2-oldatot (baritvíz) vagy telített Ca(OH)2-oldatot (meszesvíz). A karbonát-tartalmú oldatból fejlődő CO2 gáz hatására fehér színű zavarosodás vagy csapadék észlelhető a kotyogóban (ha a gázbevezetést sokáig végezzünk, akkor a csapadék feloldódik hidrogén-karbonát formájában. Erre különösen a meszesvíz használata esetén kell figyelmet fordítani, mivel ebben a CaCO3 koncentrációja kisebb, mint a BaCO3 koncentrációja a baritvízben.

CO3

2(aq) + 2 H⁺(aq) = CO2(g) + H2O(f) CO2(g) + Ba(OH)2(aq) = BaCO3(sz)+ H2O(f)

6.6.1.3.1. fénykép. A karbonátion kimutatása

6.6.1.4. Feladatok karbonátok és hidrogén-karbonátok előállításához 60. Magnézium-karbonát

Név: magnézium-karbonát

magnezit

6.6.1.4.1. fénykép. MgCO3

Összegképlet: MgCO3

CAS-szám: 546-93-0

Biztonsági információk: R: 

S: 

Előállítás reakcióegyenlete:

MgCl2(aq) + Na2CO3(aq) = MgCO3(sz) + 2 NaCl(aq) Előállítás menete:

Magnézium-karbonát fehér csapadékként kiválik, ha valamilyen magnézium-só oldatát (pl. MgCl2 -oldat) karbonát-tartalmú oldattal (pl. Na2CO3-oldat) reagáltatjuk.

5,1 g (0,025 mol) MgCl2 · 6H2O-ot melegítés közben feloldunk 50 cm³ vízben, majd hozzáöntjük 8,0 g (0,028 mol) Na2CO3 · 10H2O (vagy 3,0 g vízmentes Na2CO3) 20 cm³ meleg vízben készült oldatát. Ha az oldatok szilárd szennyeződést tartalmaznak, összeöntés előtt redős szűrőn le kell szűrni azokat. Az oldatokat azért célszerű melegen elegyíteni, mert így a leváló csapadék durvább szemcséjű és jobban szűrhető lesz. A csapadékos oldatot 23 óra hosszat vízfürdőn melegítjük, mialatt a csapadék leülepedik és öregszik (nagyobb aggregátumok képződnek, a csapadék jól szűrhetővé válik).

Ezután a csapadékot Büchner-tölcséren dekantálva szűrjük, majd desztillált vízzel addig mossuk, amíg a lecsepegő mosófolyadék kloridionmentes nem lesz (salétromsavas AgNO3 oldattal nem ad csapadékot). A csapadékot szárítószekrényben 105 ^oC-on szárítjuk és porcelánmozsárban elporítjuk.

Tulajdonságok:

Oldatból lecsapva fehér, mikrokristályos por. Vízben alig, acetonban és ammóniában nem oldódik.

300 ^oC felett termikusan CO2-gáz képződése közben bomlik, 500 ^oC-on teljessé válik a bomlás.

Természetben magnezitként fordul elő. Felhasználják tűzoltó készülékekben töltetként, fogkrémekben és kozmetikumokban töltőanyagként. Az élelmiszeriparban E504i néven alkalmazott savanyúságot szabályzó adalékanyag.