18.7: Ocorrência, preparação e propriedades dos carbonatos

Objetivos de

Ao final desta seção, você poderá:

• Descreva a preparação, propriedades e usos de alguns carbonatos metálicos representativos

A química do carbono é extensa; no entanto, a maior parte dessa química não é relevante para este capítulo. Os outros aspectos da química do carbono aparecerão no capítulo que aborda a química orgânica. Neste capítulo, vamos nos concentrar no íon carbonato e substâncias relacionadas. Os metais dos grupos 1 e 2, bem como zinco, cádmio, mercúrio e chumbo (II), formam carbonatos iônicos - compostos que contêm os ânions carbonato,${\text{CO}}_3{}^{\mathrm{2-}}.$Os metais do grupo 1, magnésio, cálcio, estrôncio e bário também formam hidrogenocarbonatos - compostos que contêm o ânion hidrogenocarbonato,${\text{HCO}}_3{}^{\text{−}}\text{,}$também conhecido como ânion bicarbonato.

Com exceção do carbonato de magnésio, é possível preparar carbonatos dos metais dos grupos 1 e 2 pela reação do dióxido de carbono com o respectivo óxido ou hidróxido. Exemplos de tais reações incluem:

$${\text{Na}}_2\text{O}(s)+{\text{CO}}_2(g)⟶{\text{Na}}_2{\text{CO}}_3(s)$$

$$\text{Ca}{(\text{OH})}_2(s)+{\text{CO}}_2(g)⟶{\text{CaCO}}_3(s)+{\text{H}}_2\text{O}(l)$$

Os carbonatos dos metais alcalino-terrosos do grupo 12 e do chumbo (II) não são solúveis. Esses carbonatos precipitam ao misturar uma solução de carbonato de metal alcalino solúvel com uma solução de sais solúveis desses metais. Exemplos de equações iônicas líquidas para as reações são:

$${\text{Ca}}^{\mathrm{2+}}(\mathrm{uma}q)+{\text{CO}}_3{}^{\mathrm{2-}}(\mathrm{uma}q)⟶{\text{CaCO}}_3(s)$$

$${\text{Pb}}^{\mathrm{2+}}(\mathrm{uma}q)+{\text{CO}}_3{}^{\mathrm{2-}}(\mathrm{uma}q)⟶{\text{PBCo}}_3(s)$$

As pérolas e as conchas da maioria dos moluscos são carbonato de cálcio. O estanho (II) ou um dos íons trivalentes ou tetravalentes, como Al ³⁺ ou Sn ⁴⁺, se comportam de forma diferente nessa reação como dióxido de carbono e a forma de óxido correspondente em vez do carbonato.

Hidrogenocarbonatos de metais alcalinos, como NaHCO ₃ e CShCO ₃, se formam saturando uma solução dos hidróxidos com dióxido de carbono. A reação iônica líquida envolve íon hidróxido e dióxido de carbono:

$${\text{OH}}^{\text{−}}(\mathrm{uma}q)+{\text{CO}}_2(\mathrm{uma}q)⟶{\text{HCO}}_3{}^{\text{−}}(\mathrm{uma}q)$$

É possível isolar os sólidos por evaporação da água da solução.

Embora sejam insolúveis em água pura, os carbonatos alcalino-terrosos se dissolvem facilmente em água contendo dióxido de carbono porque se formam sais de hidrogenocarbonato. Por exemplo, cavernas e sumidouros se formam em calcário quando o CaCO ₃ se dissolve em água contendo dióxido de carbono dissolvido:

$${\text{CaCO}}_3(s)+{\text{CO}}_2(\mathrm{uma}q)+{\text{H}}_2\text{O}(l)⟶{\text{Ca}}^{\mathrm{2+}}(\mathrm{uma}q)+{\text{2HCO}}_3{}^{\text{−}}(\mathrm{uma}q)$$

Os hidrogenocarbonatos dos metais alcalino-terrosos permanecem estáveis somente em solução; a evaporação da solução produz o carbonato. Estalactites e estalagmites, como as mostradas na Figura 18.30, se formam em cavernas quando gotas de água contendo hidrogenocarbonato de cálcio dissolvido evaporam para deixar um depósito de carbonato de cálcio.

Figura 18.30 (a) Estalactites e (b) estalagmites são formações cavernas de carbonato de cálcio. (crédito a: modificação da obra de Arvind Govindaraj; crédito b: modificação do trabalho pelo Serviço Nacional de Parques.)

Os dois carbonatos usados comercialmente em maiores quantidades são carbonato de sódio e carbonato de cálcio. Nos Estados Unidos, o carbonato de sódio é extraído do mineral trona, Na ₃ (CO ₃) (HCO ₃) (H ₂ O) ₂. Após a recristalização para remover argila e outras impurezas, o aquecimento do trona recristalizado produz Na ₂ CO ₃:

$${\text{2Na}}_3({\text{CO}}_3)({\text{HCO}}_3){({\text{H}}_2\text{O})}_2(s)⟶{\text{3Na}}_2{\text{CO}}_3(s)+{\text{5H}}_2\text{O}(l)+{\text{CO}}_2(g)$$

Os carbonatos são bases moderadamente fortes. As soluções aquosas são básicas porque o íon carbonato aceita o íon hidrogênio da água nesta reação reversível:

$${\text{CO}}_3{}^{\mathrm{2-}}(\mathrm{uma}q)+{\text{H}}_2\text{O}(l)\rightleftharpoons {\text{HCO}}_3{}^{\text{−}}(\mathrm{uma}q)+{\text{OH}}^{\text{−}}(\mathrm{uma}q)$$

Os carbonatos reagem com os ácidos para formar sais do metal, dióxido de carbono gasoso e água. A reação do carbonato de cálcio, o ingrediente ativo do antiácido Tums, com o ácido clorídrico (ácido estomacal), conforme mostrado na Figura 18.31, ilustra a reação:

$${\text{CaCO}}_3(s)+\text{2 HCl}(\mathrm{uma}q)⟶{\text{CaCl}}_2(\mathrm{uma}q)+{\text{CO}}_2(g)+{\text{H}}_2\text{O}(l)$$

Figura 18.31 A reação do carbonato de cálcio com o ácido clorídrico é mostrada. (crédito: Mark Ott)

Outras aplicações dos carbonatos incluem a fabricação de vidro - onde os íons carbonato servem como fonte de íons de óxido - e a síntese de óxidos.

Os hidrogenocarbonatos são anfotéricos porque atuam tanto como ácidos fracos quanto como bases fracas. Os íons de carbonato de hidrogênio atuam como ácidos e reagem com soluções de hidróxidos solúveis para formar um carbonato e água:

$${\text{KHCO}}_3(\mathrm{uma}q)+\text{KOH}(\mathrm{uma}q)⟶{\text{K}}_2{\text{CO}}_3(\mathrm{uma}q)+{\text{H}}_2\text{O}(l)$$

Com ácidos, os hidrogenocarbonatos formam sal, dióxido de carbono e água. O bicarbonato de sódio (bicarbonato de sódio ou bicarbonato de sódio) é hidrogenocarbonato de sódio. O fermento em pó contém bicarbonato de sódio e um ácido sólido, como hidrogenotartarato de potássio (creme de tártaro), KHC _{4 H 4} O ₆. Enquanto o pó estiver seco, nenhuma reação ocorre; imediatamente após a adição de água, o ácido reage com os íons hidrogenocarbonato para formar dióxido de carbono:

$${\text{HC}}_4{\text{H}}_4{\text{O}}_6{}^{\text{−}}(\mathrm{uma}q)+{\text{HCO}}_3{}^{\text{−}}(\mathrm{uma}q)⟶{\text{C}}_4{\text{H}}_4{\text{O}}_6{}^{\mathrm{2-}}(\mathrm{uma}q)+{\text{CO}}_2(g)+{\text{H}}_2\text{O}(l)$$

A massa retém o dióxido de carbono, fazendo com que ele se expanda durante o cozimento, produzindo a textura característica dos produtos assados.