Węglan
Węglany są solami (a także estrami organicznymi) kwasu węglowego. Rozróżnia się chemicznie pierwotne węglany (wodorowęglany) i wtórne węglany. Kwas węglowy ma wzór strukturalny H2CO3. W węglanie anion (np. Ca) występuje zawsze w połączeniu z atomem węgla (CO3), dlatego węglan wapnia ma wzór cząsteczkowy CaCO3.
W przypadku organicznych estrów kwasu węglowego można dokonać rozróżnienia chemicznego między estrami kwasu węglowego a węglanami polimerów (poliwęglanami).
Typowe właściwości
Węglan jest zawsze solą jonową w postaci krystalicznej (przynajmniej w temperaturze pokojowej) – czyli ciałem stałym. Węglan jest bezwonny i w większości przypadków tylko nieznacznie rozpuszczalny w wodzie (wyjątkiem są tu jednak węglany alkaliczne). Kolor węglanu jest zawsze określany przez odpowiedni kation (jony HCO3), anion nie ma własnego koloru.
Znane węglany w przyrodzie
Węglany często występują w przyrodzie w postaci minerałów (np. jako węglan wapnia w postaci kalcytu lub jako drzewo żelazne). Niektóre minerały nie pozwalają rozpoznać po nazwie, że są one rzeczywiście węglany, jak na przykład witherite, który jest chemicznie węglan baru (który powstaje z wodorotlenku baru i wody).
Znane są w szczególności:
- Syderyt (drzewo żelaza lub węglan żelaza)
- Azuryt i malachit
- Dolomit (węglan wapniowo-magnezowy)
- Aragonit
- Kalcyt
- Magnezyt (węglan magnezu)
- Smithsonit (drzewo cynkowe)
- Rodochrozyt (drzewo manganowe)
W mineralogii węglany wraz z azotanami stanowią odrębną klasę minerałów. W geologii węglan występuje np. w postaci wapienia jako skała osadowa oraz w postaci karbonatytu jako skała magmowa.
Bardzo dobrze znane są również węglan sodu (“soda”) i wodorowęglan sodu (“wodorowęglan”, “wodorowęglan sodu”), które kiedyś były szeroko stosowane w gospodarstwie domowym, ale dziś są wykorzystywane prawie wyłącznie jako surowce przemysłowe. Węglan potasu, tak zwany “potaż”, był również bardzo często stosowany w dawnych czasach, między innymi do produkcji mydeł.
W typach skał takich jak zlepieńce lub melasy, węglany bardzo często stanowią spoiwo, które utrzymuje poszczególne agregaty razem.
Reakcje chemiczne
Tworzenie się wodorowęglanów (np. wodorowęglanu wapnia) odbywa się w reakcji chemicznej pomiędzy węglanem, wodą i dwutlenkiem węgla. Ten proces reakcji chemicznej zachodzi również w przyrodzie, np. gdy wapień rozpuszcza się w węglanowej wodzie gruntowej. Rezultatem tego procesu (rozpuszczony wodorowęglan) jest twardość wody, którą można zmierzyć w naszej wodzie wodociągowej i która jest wyraźnie widoczna jako zmętnienie.
I odwrotnie, węglan również dysocjuje w wodzie (tzn. rozkłada się), tworząc zdysocjowany anion i wolny jon węglanowy.
Jony węglanowe można bardzo łatwo wykryć za pomocą kwasu chlorowodorowego: po dodaniu kwasu natychmiast powstaje lotny dwutlenek węgla (CO2), który jest wyraźnie widoczny, tworzy się również wolny jon chloru i woda.
Szczególnie w przypadku wody interesujące jest jednak określenie ilości jonów węglanowych w określonej ilości wody. Można to również zrobić dobrze z pomocą kwasu solnego. Dodawana jest dokładnie odmierzona ilość kwasu solnego i mierzona jest zmiana wartości pH wody. Decydujące znaczenie ma tutaj ilość kwasu solnego wymagana początkowo do osiągnięcia wartości pH 8,3, a następnie zużycie kwasu do osiągnięcia wartości pH 4,3. Stężenie węglanów w wodzie można następnie obliczyć na podstawie obu tych danych.
Wniosek
Kwas węglowy potrafi o wiele więcej niż tylko zmienić wodę w wodę gazowaną: jego sole występują powszechnie w przyrodzie, a związki węglanowe tworzą wiele znanych nam minerałów i niektóre ważne skały. Również w dziedzinie gospodarstwa domowego proste węglany, takie jak soda kalcynowana, soda oczyszczona lub potaż, były czymś bardzo powszechnym i wykorzystywanym do wielu różnych celów.
Węglan jest zatem bardzo ważny i podstawowy w przyrodzie oraz jako surowiec do wielu różnych zastosowań, od produkcji detergentów po kruszywa do betonu (węglan wapnia po wypaleniu jako tzw. wapno palone lub tlenek wapnia).