Lo ione carbonato è un anione poliatomico con formula CO32- avente geometria planare con angoli di 120° in cui il carbonio è ibridato sp2.
L’atomo di carbonio è legato tramite doppio legame a un atomo di ossigeno e tramite legame semplice a due atomi di ossigeno e pertanto lo ione carbonato è stabilizzato dalle seguenti strutture di risonanza
In acqua lo ione carbonato, base coniugata dell’idrogeno carbonato, dà idrolisi basica. Lo ione carbonato idrolizza secondo l’equilibrio:
CO32- + H2O ⇄ HCO3– + OH–
La cui costante di equilibrio Kb2 = Kw/Ka2 = 10-14/ 4.84· 10-11 = 2.07 · 10-4
Decomposizione termica
Molti carbonati metallici danno luogo alla decomposizione termica con formazione dell’ossido metallico e biossido di carbonio.
La temperatura di decomposizione dipende dal metallo presente: ad esempio i carbonati dei metalli del Gruppo 2 che si presentano come solidi bianchi danno luogo a decomposizione termica secondo la reazione:
MeCO3(s) → MeO(s) + CO2(g)
Scendendo lungo il gruppo i carbonati sono più stabili ed è quindi necessaria una temperatura maggiore perché avvenga la decomposizione.
La temperatura di decomposizione dipende dalla reattività del metallo: quanto più il metallo è reattivo tanto più il carbonato è stabile e richiede una temperatura elevata per decomporsi.
Solubilità
I carbonati sono in genere sali poco solubili ad eccezione del carbonato di litio Li2CO3, di sodio Na2CO3, di potassio K2CO3 e di ammonio (NH4)2CO3.
I carbonati meno solubili sono quelli di magnesio, calcio, bario, stronzio, cadmio, cobalto (II), rame (II), ferro (II), piombo (II), manganese (II), nichel (II) e zinco.
Sebbene i carbonati dei metalli alcalino-terrosi siano poco solubili essi si solubilizzano rapidamente in acque contenenti biossido di carbonio formando carbonati secondo la reazione:
CaCO3(s) + CO2(aq) + H2O(l) → Ca(HCO3)2(aq)
La dissoluzione del carbonato in queste condizioni è responsabile della formazione di stalattiti e stalagmiti.
Nel corso di molti anni, infatti, l’azione continua dell’acqua piovana provoca la dissoluzione di una piccola quantità di calcare con formazione di cavità e l’acqua percolante ricca di carbonato acido di calcio si incunea attraverso interstizi e diaclasi.
Quando la soluzione giunge in ambienti poveri di biossido di carbonio tipici del sottosuolo avviene la reazione inversa
Ca(HCO3)2(aq)→ CaCO3(s) + CO2(aq) + H2O(l)
Ciclo geochimico del carbonio
Lo ione carbonato entra nel ciclo geochimico del carbonio che consiste nell’interscambio dinamico in cui il carbonio viene scambiato tra la geosfera, l’idrosfera, la biosfera e l’atmosfera della Terra tramite reazioni chimiche e processi fisici, biologici e geologici.
Il biossido di carbonio presente nell’atmosfera si solubilizza, secondo la legge di Henry, nell’acqua piovana con formazione di acido carbonico.
Dalla parziale dissociazione dell’acido carbonico si ottengono bicarbonato e, in misura minore carbonato.
L’acido carbonico reagisce con i minerali contenenti carbonato come la calcite, la siderite, la magnesite e la dolomite con formazione di Ca2+ e HCO3–.
Questa reazione di dissoluzione dei carbonati consente agli ioni formati di essere trasportati fino al mare. In esso gli organismi viventi come i coralli li incorporano per formare gusci e scheletri con formazione di carbonato di calcio e liberando biossido di carbonio nell’atmosfera.
Se si verifica un aumento di biossido di carbonio nell’atmosfera aumenta la sua pressione parziale. Di conseguenza si verifica una sua maggiore solubilizzazione in acqua con conseguente aumento di carbonato.
Acidi e carbonati metallici
Quando gli acidi reagiscono con i carbonati metallici si forma sale, acqua e biossido di carbonio. Dalla reazione si ha sviluppo di calore essendo una reazione esotermica.
Ad esempio dalla reazione tra carbonato di ferro (II) e acido solforico si forma solfato di ferro (II) acqua e biossido di carbonio secondo la reazione:
FeCO3 + H2SO4 → FeSO4 + H2O + CO2
La formazione di CO2 provoca una effervescenza e tale metodo può essere utilizzato nell’analisi chimica qualitativa. La conferma che il gas prodotto è di biossido di carbonio si ottiene facendo gorgogliare il gas in una soluzione di acqua di barite. Essa è costituita da una soluzione al 5 % di idrossido di bario. Questo in presenza di CO2 si trasforma in carbonato di bario BaCO3 che, essendo un sale poco solubile precipita secondo la reazione:
Ba(OH)2(aq) + CO2(g)→ BaCO3(s) + H2O(l)