化学式 CO3 の物質 炭酸という名前で呼ばれます .炭酸塩は炭素原子 1 個と酸素原子 3 個でできており、電荷が -2 です。 .この負電荷は、炭酸イオンの 1 つのイオンが陽子よりも 2 つ多い電子を持っていることを意味します。
炭酸塩は柔軟な多原子イオンであり、アルカリおよびアルカリ土類金属と塩化合物を形成する傾向があるという特徴があります。炭酸塩化合物は、いくつかのタイプの堆積岩の主成分であり、最もよく知られているのは、主に炭酸カルシウム (CaCO3) で構成される石灰岩です。 ）。炭酸化合物は、軟体動物やサンゴの殻や、炭酸ナトリウム (Na2) などの洗浄剤にも含まれています。 CO3 ) および炭酸カリウム (K
炭酸塩は、2つ以上の原子から作られたイオンであるという点で、多原子イオンです。まず、イオンの一般的な概念を見て、より複雑な多原子イオンの概念に取り組みましょう。
イオンとは?
簡単に言えば、イオンとは陽子と電子の量が等しくない原子です。すべての原子は、陽子、中性子、電子の 3 種類の粒子で構成されています。陽子と中性子は原子核に集まって存在し、電子は核を取り囲む軌道殻に存在します。各粒子には関連する電荷があります。陽子は +1 の電荷を持ち、電子は -1 の電荷を持ちます。中性子の中性電荷は 0 です。
通常の原子には、陽子と電子が同量存在します。このような原子では、陽子の正電荷と電子の負電荷が正確に等しく反対であるため、電荷が相殺され、原子は全体的に電気的に中性になります。ただし、常にそうであるとは限りません。原子は電子を獲得したり失ったりする可能性があるため、全体として負または正の電荷を帯びます。ゼロでない電荷を持つ原子はイオンと呼ばれます。
イオンには大きく分けて2種類あります。正に帯電した原子は陽イオンと呼ばれます .原子が電子を失うと陽イオンが形成されます。電子よりも陽子の方が多いため、原子は全体的に正の電荷を持っています。負に帯電したイオンは陰イオンと呼ばれます 原子が電子を獲得するときに形成されます。陽子よりも電子の方が多いため、原子は全体的に負の電荷を持っています.
例としてナトリウム (Na) を取り上げます。ナトリウム原子には、11 個の陽子と 11 個の電子があります。ナトリウムは比較的低いイオン化エネルギーを持っているため、その電子は簡単に取り除かれます。そのため、ナトリウムは 失われる傾向があります 陽イオンを形成します。イオンの電荷は、通常、化学記号の隣に上付きの数字として書かれます。ナトリウムの場合、ナトリウムは通常 1 つの電子を失うため、+1 の電荷を持つイオン (Na と表記) を形成します。一方、フッ素（F）は電気陰性度が高く、余分な電子を拾いやすい。フッ素の原子は余分な電子を拾ってその外殻を満たし、-1 の電荷を持つイオンを生成します。F
と表記されます。イオンは、陽イオンと陰イオンの間の強い静電引力によって結合を形成します。塩化ナトリウム (NaCl) の場合、ナトリウム カチオンは次のように塩素アニオンと結合します:
イオン結合は、イオン間の静電相互作用が強いため、共有結合よりも強くなる傾向があります。イオン性化合物は通常脆く、融点/沸点が高く、極性溶媒に容易に溶解します。
多原子イオン
多原子イオンはその名の通り、複数の原子からできているイオンです。言い換えれば、多原子イオンは、陽子と電子の量が等しくない分子です。単原子イオンと同様に、多原子イオンは全体的に正または負の電荷を持っています。
アンモニウム (NH4 ） 例えば。アンモニウムは、単一の窒素原子と 4 つの水素原子からなる多原子イオンです。アンモニウムには合計 9 個の陽子 (窒素が 5 個、各水素が 1 個) がありますが、電子は 8 個しかありません。したがって、アンモニウムの全体的な電荷は +1 です。アンモニウムは、アンモニア (NH3 ）。余分なプロトンの追加により、分子全体に正味の正電荷が与えられます。
多原子イオンは、酸塩基化学反応のコンテキストで最も一般的に見られます。酸性溶液は、物質から水素原子を解離することによって形成されます。このプロセスにより、遊離プロトン (H イオン) と対応する多原子共役塩基対が生成されます。たとえば、硫酸 (H2 SO4 ) は溶媒中で解離して 2 H イオンとその共役塩基である硫酸塩多原子イオン SO4 を生成します。 .
硫酸イオンが、もともと水素原子によって共有されていた 2 つの電子を保持していることに注目してください。解離した水素原子からの 2 つの電子の付加により、硫酸イオンは全体的に負電荷 -2 になります。
イオン対極性
イオンと極性分子は同じものではありません。極性分子は、原子の不均一な空間分布による電気双極子を持つ分子です。イオンは、電子と陽子の量が等しくない原子です。極性化合物には共有結合が含まれますが、イオン化合物には含まれません。さらに、極性分子は部分電荷を持ち、単原子イオンと多原子イオンは整数電荷を持ちます。
多原子イオンとしての炭酸
炭酸塩は、最も単純な種類のオキソカーボン イオンです。中心の炭素原子に結合した 3 つの酸素原子でできており、対称的な三角形の平面形状をしています。炭酸塩のモル質量は約 60 g/mol です。炭酸の共役塩基です (H2 CO3 ) であり、溶媒中の炭酸の解離によって作ることができます。
炭酸イオンの原子構造は、単一のルイス構造では表すことができません。常識的には、炭酸塩原子は、負の酸素への 2 つの単結合と中性酸素への二重結合を共有する中心の炭素原子から構成されることを示しています。経験的観察は、イオンが完全に対称であり、各結合と酸素原子が同等であることを示しています。したがって、カーボネートは通常、共鳴ルイス構造で表されます。
炭酸イオンの実際の電子構造は、これら 3 つの個別の数値の平均であると理解されています。
炭酸イオンは電気的に負であるため、正に帯電した陽イオンとイオン結合を形成する傾向が強いです。得られた物質は一般に炭酸塩と呼ばれる。一般に、炭酸イオンは、1族および2族のアルカリおよびアルカリ土類金属と塩を形成します。ナトリウム、カリウム、カルシウム、マグネシウムなどのアルカリおよびアルカリ土類金属は、正の陽イオンを形成する傾向があるため、負の炭酸陰イオンと容易に結合します。最も一般的な炭酸塩の 1 つは、炭酸カルシウム (CaCO3 ）。炭酸カルシウムは、カルシウム陽イオン (Ca) と炭酸陰イオンの間のイオン結合によって形成される塩です。他の一般的な炭酸塩には、炭酸カリウム (K
炭酸塩の発生
炭酸カルシウムは、ほとんどの種類の堆積岩の主成分です。たとえば、石灰岩は主に炭酸カルシウムでできています。石灰岩は、そのイオン組成のために水に溶解することができます。石灰岩を水に溶かすと、カルシウム陽イオンと炭酸陰イオンができます。鉱化された水による炭酸塩の堆積は、洞窟内の鍾乳石と石筍の形成の背後にある主なメカニズムです.
炭酸塩も重要な生体物質です。最も明白なのは、炭酸化合物が体内の pH レベルを調節するために人体から排泄されることです。たとえば、血液のpHが低くなりすぎると、血液が酸性になり、水素イオンの濃度が高くなり、体は炭酸イオンを生成します.炭酸イオンは余分な陽子を吸い上げ、血液の pH を正常なレベルに戻します。血液の pH が高すぎると、腎臓は重炭酸イオン (HCO3 ）、解離してより多くの水素イオンを血中に導入します。同じメカニズムが、制酸剤での炭酸化合物の使用の背後にあります。炭酸イオンが反応して胃酸を中和し、胃酸の逆流や消化不良の症状を緩和します。
炭酸化合物は、大気中の二酸化炭素の形成にも重要な役割を果たします。多くの海洋生物は、炭酸緩衝系を利用して体内の pH レベルを調節しています。これらの炭酸塩化合物は二酸化炭素に変換され、地球の海から大気中に放出されます。海洋の炭酸塩系は、大気中の二酸化炭素の主要な天然生産者の 1 つです。海洋温度が上昇すると、海洋に溶解した炭酸塩化合物からより多くの二酸化炭素が生成され、大気中の二酸化炭素濃度が高くなる可能性があります。
有機化学の文脈では、1 つの炭素と 3 つの酸素で構成される官能基は、しばしば炭酸塩と呼ばれます。技術的には多原子イオンではありませんが、カーボネート官能基は、溶媒特性を含む、自由に存在するイオンのいとこの多くの特性を保持しています。
