Какие свойства проявляют карбонаты
К классу карбонатов относятся минералы, представляющие соли угольной кислоты Н2СО3. Карбонаты являются одними из наиболее распространенных минералов земной коры; они слагают толщи осадочных пород, являются важной составляющей многих метаморфических, метасоматических и магматических пород. Распространенность карбонатов не ограничена земной корой; эти минералы присутствуют также и в мантии, вплоть до ее переходной зоны, а, возможно, и глубже.
Состав и особенности изоморфизма
В настоящее время известно более 80 карбонатных минералов, но далеко не все из них являются породообразующими. Наибольшее распространение имеют простые и двойные карбонаты, содержащие катионы Ca2+, Mg2+ Fe2+ и Mn2+ (табл. 1.15).
В состав карбонатов могут также входить Ba2+, Sr2′, Zn2+, Na+, Cu2+ редкие земли и добавочные анионы OH-, F-, реже Cl-. Для карбонатов характерны непрерывные изоморфные ряды с участием двухвалентных катионов Mn <-> Fe, Mg <-> Fe, CaMg <-> CaMn. Твердый раствор между aнкеритом и доломитом (изоморфизм CaMg <-> CaFe) не распространяй на железистые составы, а изоморфные замещения Mg <-> Mn, Mg <-> Ca и CaMn <-> CaFe и вовсе имеют весьма ограниченный характер (рис. 1.115). Примечательно, что области несмесимости в простых и бинарных карбонатах не совпадают (рис. 1.115, сравните а и б). Широкие области несмесимости отмечаются также в рядах Ca-Mg карбонатов (рис. 1.116).
Структура
Основу структуры карбонатов составляют анионные группы [CO3]2-. Каждая анионная группа имеет форму равностороннего треугольника с атомами кислорода в вершинах и атомом углерода в центре. Группы [CO3]2- являются изолированными друг от друга, связь между ними осуществляется через катионы (например, Ca2+, Mg2+, Fe2+), находящимися в октаэдрической координации (рис. 1.117). Плоские группы [CO3]2- во многих породообразующих карбонатах формируют параллельные слои и цепочки. Для карбонатов характерны смешанные типы химической связи; в анионной группе [CO3]2- — ковалентная, а между катионом и анионной группой — ионная. В гидроксилсодержащих карбонатах присутствуют также водородные связи.
Большинство породообразующих карбонатов кристаллизуется в тригональной сингонии. Ho есть и ромбические карбонаты, например, арагонит, стронцианит (SrCO3), витерит (BaCO3) и др.
Оптические свойства и особенности в шлифах
Большинство карбонатов являются бесцветными в шлифах. Сидерит может иметь желто-бурый цвет, а для родохрозита характерен плеохроизм от бесцветного до светло-розового. Карбонаты являются одноосными, оптически отрицательными, легко диагностируются в шлифах по крайне высокому двупреломлению (более 0.17), дающему пеструю интерференционную окраску высших порядков. Для карбонатов характерна совершенная спайность по (101), для арагонита по (010). Широко распространены полисинтетические двойники, а в арагоните отмечаются также циклические двойники с шестью сегментами. Оптические свойства карбонатов приведены в табл. 1.16. Определенные трудности могут возникнуть при диагностике близких оптических свойств кальцита, доломита и магнезита. Тем не менее, между ними имеются вполне определенные отличия: магнезит среди этих минералов имеет самый высокий рельеф, а кальцит самый низкий. Важным диагностическим отличием кальцита и доломита являются полисинтетические двойники. В кальците их намного больше, чем в доломите. Кроме того, двойниковые полоски в кальците ориентированы параллельно короткой диагонали ромба, образованного двумя направлениями спайности, а в доломите — параллельно как короткой, так и длинной диагонали.
Пределы стабильности и нахождение в природе
Карбонаты слагают -18% осадочной оболочки Земли. Их основные объемы сосредоточены в осадочных толщах известняков и доломитов, образованных на дне морских бассейнов и сложенных преимущественно кальцитом (известняки) и доломитом (доломиты). Из кальцита (арагонита) сложены сталактиты и сталагмиты, декорирующие известняковые гроты. Разнообразие карбонатов, образованных в гидротермальных процессах, значительно шире, чем в осадочных. Наряду с кальцитом и доломитом здесь образуются арагонит, сидерит, анкерит, родохрозит и др. Кальцит и доломит встречаются также в пегматитах, миндалинах эффузивных пород.
При метаморфизме известняков и доломитов, слагающие их карбонат становятся более крупнозернистыми, в результате чего породы превращаются в мраморы. Мраморы образуются также при реакционно-метасоматическом высокотемпературном (более 600°С) взаимодействии алюмосиликатных пород с карбонатными породами в присутствии флюида. Если карбонаты представлены известняками, то образуются известковые скарны с типоморфными минералами — пироксеном диопсид-геденбергитового ряда, андрадит-гроссуляровым гранатом, скаполитом, везувианом, волластонитом и др. По доломитам образуются магнезиальные скарны, для которых характерны такие минералы как шпинель, форстерит, диопсид и флогопит.
Условия плавления породообразующих карбонатов в сухих условиях заметно различаются (рис. 1.118). Наиболее низкотемпературным является доломит; температура его плавления при 5 кбар составляет 10000C, а при 60 кбар — 1400°С. Магнезит и арагонит (кальцит) при давлении 60 кбар плавятся при ~1700°С, при этом CaCO3 является несколько более высокотемпературной фазой, чем MgCO3. При снижении давления температура плавления для рассматриваемых карбонатов равномерно снижается. При этом область плавления магнезита ограничена минимальным давлением -30 кбар, ниже которого происходит реакция декарбонатизации с образованием периклаза.
Стабильность доломита в карбонатно-силикатных породах с ростом температуры ограничивается реакцией:
продуктами которой являются ортопироксен, кальцит и углекислый газ (рис. 1.118). Поле стабильности доломита резко сокращается при давлении свыше 5-6 ГПа, где он разлагается с образованием арагонита и магнезита (рис. 1.118а).
Широкие диапазоны P-T стабильности кальцита, доломита, магнезита и других карбонатов обеспечивают присутствие в верхнем мантии огромного резервуара CО2. Согласно оценкам французский ученых, здесь находится до 4*10в17 тонн углерода, заключенного, прежде всего, в структуре карбонатов. Появлением породе карбонатов контролируется фугитивностью кислорода и составом флюида. Например, гарцбургит (бескарбонатный перидотит) стабилен в мантии до глубин 70 и более километров в присутствии существенно водного флюида (рис. 1.118). Возрастание во флюиде углекислотной составляющей приведет к замещению оливина из гарцбургита энстатитом и магнезитом:
При дальнейшем увеличении содержания CO2 во флюиде сначала произойдет разложение энстатита с образованием тальк-магнезитового сланца:
а потом разложится тальк:
Таким образом, на заключительной стадии преобразования гарцбургита будет сформирована кварц-магнезитовая порода (рис. 1.119).
Рассмотренный пример показывает исключительно важную poль флюидов при формировании минерального состава пород. В caмом деле выясняется, что воздействие водно-углекислого флюида на парцбургит, не содержащий даже нормативного кварца, может привести к полной смене минерального парагенезиса вплоть до образования кварц-карбонатной породы (рис. 1.119).
Несмотря на более широкое поле P-T стабильности, распространенность кальцита (арагонита) в мантии, по всей видимости, меньше чем у магнезита. Связано это с валовым химическим составом мантии где содержание магния на порядок выше, чем у кальция (табл. 1.15). В субдуцирующих литосферных плитах кальций, наоборот, преобладает над магнием как в метабазитах, так и в метаосадках. Поэтому кальциевые карбонаты в парагенезисах субдуцирующих плит играют большую роль, чем в окружающей мантии. В целом же более низкотемпературные геотермы в погружающихся плитах способствуют стабилизации карбонатов и переносу их вплоть до глубин переходной зоны мантии (410-660 км).
Карбонаты являются породообразующими минералами ряда магматических пород. К их числу относятся, прежде всего, карбонатиты -существенно карбонатные интрузивные и эффузивные горные породы, образованные из мантийных расплавов. Наибольшее распространение имеют интрузивные карбонатиты, встречающиеся в сложных интрузивных (кольцевых) комплексах в ассоциации со щелочными породами преимущественно ультра-основного состава. Наиболее распространены кальцитовые карбонатиты, реже встречаются доломитовые, феррокрабонатиты (анкеритовые, сидеритовые) и совсем редко — натровые карбонатиты. Последние известны только в лавах действующего вулкана Олдоиньо-Ленгаи в Танзании. Наряду с карбонатами наиболее распространенными минералами карбонатитов являются флогопит, диопсид, мелилит, апатит, перовскит, пирохлор. С карбонатитами связаны месторождения Nb, Ta, Th, Ti, Fe, Zr, REE, апатита, флогопита и др.
Карбонаты входят в число породообразующих минералов кимберлитов — семейства ультраосновных магматических горных пород, с которыми связаны месторождения алмазов. Многие исследователи обращают внимание на генетическую связь между первичными кимберлитовыми расплавами и карбонатитами.
Запрос «Поташ» перенаправляется сюда; см. также другие значения.
Карбона́т ка́лия, углеки́слый калий, арх. пота́ш K2CO3 — средняя соль калия и угольной кислоты. Это белое кристаллическое вещество, хорошо растворимое в воде. Малотоксичен, относится к III классу опасности[1].
Старое название соли — пота́ш из нидерл. рotasсh напрямую или через нем. Pottasche, фр. potasse[2].
История[править | править код]
Поташ — одна из солей, известных людям ещё в древности. Обычно поташ загрязнён различными примесями, поэтому не имеет такого чисто-белого цвета, как измельчённый карбонат калия.
До XX века в Европе поташ был одним из важнейших промышленных химических реагентов. Его получали путём водной экстракции из растительной золы, с дальнейшей очисткой до необходимого уровня. Производство было сосредоточено в местах, богатых лесом — кое-где в Европе, но, в основном, в России и Северной Америке, — то есть именно там[источник не указан 155 дней], где за несколько тысяч лет до н. э. находились языки отходящих в сторону северного полюса вместе с глобальным потеплением ледников (как правило, в тех местностях, где вода предельно жёсткая)[3].
В России Петр I в 1721 году установил монополию на производство поташа: «Нигде никому отнюдь поташа не делать и никому не продавать под страхом ссылки в вечную каторжную работу» — с целью сбережения леса, поскольку вводил технологию производства поташа из «худых бочек, сучьев и прочих обрезков»[4][значимость факта?].
Физические и химические свойства[править | править код]
При нормальных условиях выглядит как бесцветные или белые кристаллы (моноклинная модификация), плотностью 2,44 г/см3.
При 420 °C переходит в гексагональную модификацию плотностью 2,27 г/см3.
Плавится при 891 °C[5].
При нагревании до 1200 °C разлагается на углекислый газ и оксид калия[6]:
Хорошо растворим в воде: 105,5 г/100 мл (0 °C), 110,5 (20 °C), 155,7 (100 °C), гигроскопичен.
Образует несколько кристаллогидратов: K2CO3·5H2O, K2CO3·1,5H2O и K2CO3·0,5H2O, второй из них образуется при кристаллизации из водных растворов и хранении безводной формы на воздухе. Все перечисленные гидраты полностью обезвоживаются при 150—160 °C[5][7].
Водные растворы карбоната калия присоединяют углекислый газ с образованием гидрокарбоната калия[5].
С двуокисью серы водные растворы реагируют с образованием гидросульфита калия и двуокиси углерода[5].
Получение[править | править код]
Карбонат калия получают:
- как побочный продукт получается при переработке нефелинов[7].
- воздействием CO2 на раствор гидроксида калия[7]:
- путём электролиза хлорида калия, в результате чего образуется гидроксид калия, который, вступая в реакцию с углекислым газом, образует воду и карбонат калия (см. выше).
Для использования в качестве удобрения, поташ получают из щёлока при выщелачивании водой золы из злаков или водорослей, так как именно карбоната калия больше всего в растворимой части растительных остатков (белая «зола» от костра — в основном поташ). Принцип добычи: в глиняный обожжённый сосуд с небольшим отверстием на дне насыпали золу и слегка утрамбовывали. Потом его заливали определённым количеством воды. Воду, прошедшую через сосуд, тщательно собирали и ею заливали следующую партию. И так до тех пор, пока жидкость не приобретала сиропообразную консистенцию. После лишнюю жидкость выпаривали в металлической посуде и получали поташ.
Применение[править | править код]
Карбонат калия применяют:
- для изготовления жидкого мыла[7];
- для производства пигментов[7];
- для производства хрустального, оптического[7] или тугоплавкого стекла;
- крашения;
- для выращивания сельскохозяйственных культур (соли калия являются хорошим удобрением для растений);
- в фотографии как элемент проявителей[8];
- в качестве добавки в строительный раствор и бетон для уменьшения температуры замерзания (даёт белые пятна, поэтому разрабатываются специальные противоморозные присадки, не дающие разводов);
- для производства других соединений калия[7];
- как поглотитель сероводорода при очистке газов[7];
- как обезвоживающий агент[7];
- зарегистрирован в качестве пищевой добавки E501.
См. также[править | править код]
- Соляной рыбный двор
Примечания[править | править код]
- ↑ Карбонат калия
- ↑ *Андреевъ П. П. = P. P. ANDRÉEFF. Поташъ // РУССКІЙ ТОВАРНЫЙ СЛОВАРЬ. ПОСОБІЕ КЪ ТОВАРОВѢДѢНІЮ, ЗАКЛЮЧАЮЩЕЕ НАЗВАНІЯ ОБРАЩАЮЩИХСЯ ВЪ ТОРГОВЛѢ ТОВАРОВЪ, ПРОДУКТОВЪ ХИМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ, А ТАКЖЕ ПРЕДМЕТОВЪ, ОТНОСЯЩИХСЯ КЪ ТЕХНОЛОГІИ ВОЛОКНИСТЫХЪ И ПИТАТЕЛЬНЫХЪ ВЕЩЕСТВЪ, СЪ УКАЗАНІЕМЪ СИНОНИМОВЪ, КАК НА РУССКОМЪ, ТАКЪ И НА ИНОСТРАННЫХЪ ЯЗЫКАХЪ = DICTIONNAIRE RUSSE DES MARCHANDISES AVEC la table alphabétique des termes étrangers. — Russisches Waaren-Lexikon mit alphabetischem Register der Fremdwörter. — RUSSIAN GOODS-DICTIONARY with ALPHABETICAL TABLE OF FOREIGN TERMS / СОСТАВИЛЪ ДѢЙСТВИТЕЛЬНЫЙ ЧЛЕНЪ ИМПЕРАТОРСКАГО РУССКАГО ТЕХНИЧЕСКАГО ОБЩЕСТВА, ИНЖЕНЕРЪ-ТЕХНОЛОГЪ П. П. Андреевъ. — С.-ПЕТЕРБУРГЪ = S.-PÉTERSBOURG: Изданіе книжнаго магазина А. Ф. Цинзерлинга. Невскій пр., № 46 = Librairie A. Zinserling Perspective Nevsky 46, 1889. — С. 153. — 231, 166 с.
- ↑ Приложение: Очертание зоны максимального оледенения // История СССР / Б. А. Рыбаков, А. М. Сахаров, А. А. Преображенский, Б. И. Краснобаев; Под ред. Б. А. Рыбакова. — 4-е изд., дораб. — М.: Просвещение, 1991. — 303 с., 8 л. ил. — ISBN 5-09-003116-9. Дата обращения 9 января 2019.
- ↑ Историческое описание российской коммерции при всех портах и границах : От древних времян до ныне настоящаго и всех преимущественных узаконений по оной государя имп. Петра Великаго и ныне благополучно царствующей государыни имп. Екатерины Великия, / Сочиненное Михайлом Чулковым Т.6, кн.2. — 1786.
- ↑ 1 2 3 4 Ксензенко, 1990.
- ↑ Лидин Р.А. Справочник по общей и неорганической химии. — М., 1997. — С. 120.
- ↑ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Кнунянц, 1983, с. 233.
- ↑ Гурлев, 1988, с. 290.
Литература[править | править код]
- Гурлев Д. С. Справочник по фотографии (обработка фотоматериалов). — К.: Тэхника, 1988.
- Калия карбонат // Химический энциклопедический словарь / Гл. ред. И. Л. Кнунянц. — М. : Сов. энциклопедия, 1983. — 792 с.
- Ксензенко В. И., Стасиневич Д. С. Калия карбонат // Химическая энциклопедия: в 5 т. / И. Л. Кнунянц (гл. ред.). — М.: Советская энциклопедия, 1990. — Т. 2: Даффа—Меди. — С. 288. — 671 с. — 100 000 экз. — ISBN 5-85270-035-5.
Ссылки[править | править код]
- ГОСТ Р 55053-2012. Добавки пищевые. Калия карбонаты Е501. Общие технические условия
- ГОСТ 10690-73.
Текущая версия страницы пока не проверялась опытными участниками и может значительно отличаться от версии, проверенной 25 мая 2020;
проверки требует 1 правка.
У́гольная кислота́ — слабая двухосновная кислота с химической формулой H2CO3,
образуется в малых количествах при растворении углекислого газа в воде[1], в том числе и углекислого газа из воздуха. В водных растворах неустойчива. Образует ряд устойчивых неорганических и органических производных: соли (карбонаты и гидрокарбонаты), сложные эфиры, амиды и др.
Физические свойства[править | править код]
Угольная кислота существует в водных растворах в равновесии с диоксидом углерода, причём равновесие сильно сдвинуто в сторону разложения кислоты.
Молекула угольной кислоты имеет плоское строение. Центральный углеродный атом имеет sp²-гибридизацию. В гидрокарбонат- и карбонат-анионах происходит делокализация π-связи. Длина связи C—O в карбонат-ионе составляет 130 пм.
Безводная угольная кислота представляет собой бесцветные кристаллы, устойчивые при низких температурах, сублимирующиеся при температуре –30 °C, а при дальнейшем нагревании полностью разлагающиеся. Поведение чистой угольной кислоты в газовой фазе исследовано в 2011 г. австрийскими химиками[2].
Химические свойства[править | править код]
Равновесие в водных растворах и кислотность[править | править код]
Угольная кислота существует в водных растворах в состоянии равновесия с гидратом диоксида углерода:
, константа равновесия при 25 °C
Скорость прямой реакции 0,039 с−1, обратной — 23 с−1.
В свою очередь растворённый гидрат диоксида углерода находится в равновесии с газообразным диоксидом углерода:
Данное равновесие при повышении температуры сдвигается вправо, а при повышении давления — влево (подробнее см. Абсорбция газов).
Угольная кислота подвергается обратимому гидролизу, создавая при этом кислую среду:
, константа кислотности при 25 °C
Однако, для практических расчётов чаще используют кажущуюся константу кислотности, учитывающую равновесие угольной кислоты с гидратом диоксида углерода:
Гидрокарбонат-ион подвергается дальнейшему гидролизу по реакции
, константа кислотности при 25 °C
Таким образом, в растворах, содержащих угольную кислоту, создается сложная равновесная система, которую можно изобразить в общем виде следующим образом:
Значение водородного показателя pH в такой системе, соответствующего насыщенному раствору диоксида углерода в воде при 25 °C и давлении 760 мм рт. ст., можно рассчитать по формуле:
, где L = 0,034 моль/л — растворимость CO2 в воде при указанных условиях.
Разложение[править | править код]
При повышении температуры раствора и/или понижении парциального давления диоксида углерода равновесие смещается в сторону разложения угольной кислоты на воду и диоксид углерода. При кипении раствора угольная кислота разлагается полностью:
Взаимодействие с основаниями и солями[править | править код]
Угольная кислота вступает в реакции нейтрализации с растворами оснований, образуя средние и кислые соли — карбонаты и гидрокарбонаты соответственно:
(конц.)
(разб.)
При взаимодействии угольной кислоты с карбонатами образуются гидрокарбонаты:
Получение[править | править код]
Угольная кислота образуется при растворении в воде диоксида углерода:
Содержание угольной кислоты в растворе увеличивается при понижении температуры раствора и увеличении давления углекислого газа.
Также угольная кислота образуется при взаимодействии её солей (карбонатов и гидрокарбонатов) с более сильной кислотой. При этом бо́льшая часть образовавшейся угольной кислоты, как правило, разлагается на воду и диоксид углерода:
Применение[править | править код]
Угольная кислота всегда присутствует в водных растворах углекислого газа (см. Газированная вода).
В биохимии используется свойство равновесной системы изменять давление газа пропорционально изменению содержания ионов оксония (кислотности) при постоянной температуре. Это позволяет регистрировать в реальном времени ход ферментативных реакций, протекающих с изменением pH раствора.
Также применяется для производства хладагента, солнечных генераторов и морозильников.
Органические производные[править | править код]
Угольную кислоту формально можно рассматривать как карбоновую кислоту с гидроксильной группой вместо углеводородного остатка. В этом качестве она может образовывать все производные, характерные для карбоновых кислот[3].
Некоторые представители подобных соединений перечислены в таблице.
Примечания[править | править код]
Литература[править | править код]
- Лидин Р. А., Молочко В. А., Андреева Л. Л. Реакции неорганических веществ: справочник / Под ред. Р. А. Лидина. — 2-е изд., перераб. и доп. — М.: Дрофа, 2007. — 637 с. — ISBN 978-5-358-01303-2.
- Лидин Р.А., Андреева Л. Л., Молочко В. А. Константы неорганических веществ: справочник / Под ред. Р. А. Лидина. — 2-е изд., перераб. и доп. — М.: Дрофа, 2006. — 685 с. — ISBN 5-7107-8085-5.