Карбонаты в жизни нашей планеты и в жизни человеческого общества

(Использование информационного материала на уроках химии по теме «Соли угольной кислоты»)

Почекаева Е.В.,

учитель химии МАОУ «Гимназия №6»

Почему так важны соединения углерода? С одной стороны, «химический портрет» их невзрачен: привычный всем углекислый газ, нестойкая и малоактивная угольная кислота, обычная питьевая сода. Оказывается, в них много интересного!

Соединения углерода выполняют огромную функцию на нашей планете. В земной атмосфере содержится примерно 2300 млрд т углекислого газа. В небольших количествах он постоянно растворяется в атмосферной влаге и частично переходит в угольную кислоту. Ее мало, но последствия ее взаимодействия огромны! Выпадая на землю в виде дождя, проходя через почву, угольная кислота растворяет известковые породы. Растворенные карбонаты водой рек уносятся в моря и океаны. Данные соли используют морские животные, а после их отмирания на дне Мирового океана скапливаются горы карбонатов.

Кусочки «белых гор» - обычный школьный мелок, без которого не обходится ни одна школа России. Чем еще примечательны соли угольной кислоты – карбонаты и гидрокарбонаты?

Карбонат аммония, Е-503, представляет собой кристаллическое вещество бесцветного цвета, который хорошо растворяется в воде. Он нашел широкое распространение в пищевой промышленности, а в особенности для изготовления хлебобулочных изделий. Его применяют вместо соды и дрожжей.  При температуре выше 60 °C карбонат аммония распадается на воду (H2O), углекислый газ (CO2) и аммиак (NH3). В связи с выделением газов при разложении добавки E503 она и применяется в пищевой промышленности. По некоторым данным, встречающимся в интернете, добавку относят к опасной для здоровья человека. Возможно, эти слухи связаны с высокой токсичностью аммиака, образующегося при распаде карбоната аммония. Однако, как видно выше, в ходе химической реакции (в процессе приготовления продукта) углекислый газ и аммиак улетучивается, а в готовом продукте от исходного карбоната аммония остается лишь вода. Так что добавку можно считать вредной для здоровья человека лишь в исходном состоянии. Использование солей аммония (пищевой добавки E503) разрешено практически во всех странах. Исследования государственного агентства по пищевым стандартам Великобритании (FSA) показали, что добавка E503 безвредна для здоровья человека. В пищевой промышленности карбонат аммония в качестве добавки E503 применяется вместо соды или дрожжей в кондитерской промышленности и хлебопечении. Основные продукты, в которых используются карбонаты аммония: различные виды печенья, бублики, торты, хлебобулочные изделия.

В странах северной Европы и Скандинавии карбонат аммония издавна используется для выпечки фирменных видов печенья. Например, при выпечке исландского воздушного печенья используется только карбонат аммония. При замене его на соду или дрожжи оригинальное печенье уже не получится.

Карбонаты натрия Е-500: карбонат натрия, гидрокарбонат натрия, секвикарбонат натрия. В пищевой промышленности карбонат натрия зарегистрирован в качестве пищевой добавки E-500, регулятора кислотности, разрыхлителя, препятствующего комкованию и слёживанию. В быту E-500 называют обычной содой. Сода — общее название технических натриевых солей угольной кислоты.

Питьевая сода – гидрокарбонат натрия, NaHCO3 (гидрокарбонат натрия) — питьевая или пищевая сода, натрий двууглекислый, бикарбонат натрия является необходимым компонентом для выпечки в качестве разрыхлителя, лучше с добавлением лимонной кислоты:

NaHCO3 + H+ = Na+ + H2O + CO2↑

Карбонаты натрия или E-500 применяются в кондитерских изделиях. Входят в состав большой части ассортимента выпечки. В пищевой промышленности – хлебопечении, производстве кондитерских изделий, приготовлении напитков.

Карбонаты калия Е-501: карбонат калия, гидрокарбонат калия             

Воздействие на организм: Опасен для здоровья

Карбонат калия (пищевая добавка E501) – это белое кристаллическое вещество, которое плавится при 891 С и хорошо растворяется в воде, средняя соль калия и угольной кислоты. В пищевой промышленности используется как регулятор кислотности и стабилизатор в производстве безалкогольных напитков и как одна из примесей пищевой соды. На Руси поташ широко использовали для приготовления пряников.

Карбонат магния, гидроксикарбонат магния -  Е-504                     

Карбонат магния (пищевая добавка E504) – бесцветные кристаллы почти нерастворимые в воде, магниевая соль угольной кислоты. Карбонат магния сам по себе не токсичен, но применение его в пищу в больших количествах может вызвать угнетение центральной нервной системы и нарушение работы сердца. Может вызывать раздражение дыхательных путей и пищеварительного тракта (в больших концентрациях действует как слабительное), вызывает раздражение кожи и слизистых оболочек.

Добавка разрешена к применению в качестве агента, препятствующего слёживанию и комкованию в 8 стандартах на пищевые продукты в количестве от 1 до 50 г/кг. В РФ разрешён в продуктах из какао и шоколада в количестве до 70 г/кг (п. 3.1.1. СанПиН 2.3.2.1293-03). В пищевой промышленности используется как антиокислитель для сохранения цвета продуктов. Также широко применяется в качестве добавки к поваренной соли, чтобы избежать ее комкования.

Человек познакомился с окружавшими его карбонатными породами в глубокой древности и широко применял их в своей деятельности во все исторические периоды.

Известняк служил человеку строительным материалом. Со временем область его применения расширилась: метательное оружие при охоте, орудия труда... Порода легко поддавалась обработке, и древний скульптор изготовил из нее подобия человека и животных. А первый художник с радостью обнаружил, что на светлом «полотне» стен пещеры удобно рисовать углем и мокрой глиной. Эти, пока еще примитивные, произведения искусства знаменовали важнейший этап в развитии человеческой культуры. Карбонатные раковины моллюсков и кристаллы кальцита служили украшениями нашим далеким предкам. Наряду с кремнем кальцит занимал очень важное место в жизни древнего человека.

Значение карбонатов сохранялось и в дальнейшем. Из известняка сооружали жилые постройки и погребальные каменные ящики (дольмены) тавры, использовали в строительстве скифы, жители античных городов. Еще в древности из карбонатных пород научились получать и широко применять в строительстве известь. Декоративные свойства камня использовали при изготовлении архитектурных деталей. Пестрый известняк и крупные кристаллы кальцита применяли в мозаике. Известны, например, мозаичные полы прекрасной работы из Херсонеса и Партенита (ныне пос. Фрунзенское). Древняя крымская мозаика представлена в Херсонесском заповеднике и в Эрмитаже.

Красивый известковый камень из Крыма был знаком и зодчим Древней Руси, он применялся при отделке церквей. Большинства жилых и общественных зданий в Крыму строили и продолжают строить из известкового камня. Из него возведены Симферополь, Севастополь, многие южнобережные дворцы. Особенно широкое развитие добыча и использование карбонатного материала получили в советское время. Архитектура, цементная промышленность, металлургия (флюсовые добавки), химия - вот лишь частичный перечень областей его применения. Не было забыто и декоративно-прикладное искусство. Петергофская гранильная фабрика дала прекрасный отзыв о пестрых мраморизованных известняках. В 1920-1940-х гг. местная промышленность выпускала изделия из сырья Биюк-Янкойского месторождения под Чатырдагом (ныне с. Мраморное) - небольшие вазочки, чернильные приборы, настольные доски. Крымский известняк знают в настоящее время далеко за пределами полуострова. Им украшены многие архитектурные сооружения: в Москве - станции метро, детали Кремля, олимпийские объекты; в Ульяновске - Ленинский мемориальный комплекс.

Мраморный оникс - красивая плотная полосчатая или зональная агрегатная разновидность кальцита. Некоторые сорта оникса телесным цветом и строением напоминают ноготь, откуда, очевидно, и древнее название от греческого «онис» - ноготь. Позже ониксом ошибочно была названа разновидность агата. Термин привился, и просто ониксом теперь называют параллельно-полосчатый агат. По А. Е. Ферсману, «мраморный оникс», или «алебастр», является одним из самых первых цветных камней, использованных человеком. Издавна его применяли в Древнем Египте (около семи тысяч лет тому назад) и странах Востока, считали священным камнем в Мексике. На территории нашей страны использовали на Кавказе и в Средней Азии.

Мраморный оникс промышленного значения не имеет. На Кавказе, в Средней Азии и в других районах нашей страны его добывают для нужд народного хозяйства. Мраморный оникс издавна славится как отличный поделочный камень и используется в архитектуре. Особенно хорош просвечивающий материал нежных тонов. Согласно древнему преданию, во дворце царя Соломона, несмотря на отсутствие окон, было светло. Дневной свет проникал через стены из мраморного оникса. В наше время из камня делают вазы, чаши, шкатулки и другие изделия и поделки. Мраморный оникс украшает и некоторые архитектурные сооружения, например, станцию метро «Белорусская» в Москве.

У исландского шпата особенно наглядно проявляется одно из замечательных свойств кальцита. Накройте прозрачным ромбоэдром минерала какую-нибудь надпись и посмотрите через кристалл на нее. Надпись окажется раздвоенной. Это явление известно как двупреломление и вызвано большой разницей показателей преломления кальцита. Датчанин Эразм Бартелин описал этот эффект в XVII в., назвал его одним из величайших чудес природы и считал, что наблюдение эффекта доставит большую радость всем, кто предпочитает другим удовольствиям познание необычных явлений природы. Школьники нескольких поколений в разных концах страны познавали свойства кристаллических тел (двупреломление, спайность и др.) с помощью крымского исландского шпата.

Карбонат железа был столь же важен в жизни человека железного века, как кремень и кальцит в каменном веке. Сидерит - полноправный «участник» технической революции тех далеких времен. Из него наши предки впервые научились извлекать железо, что подтверждают находки археологов. Сидерит сохраняет практическое назначение как источник железа и сейчас. Сферосидерит издавна используют в Крыму для приготовления краски. Неподалеку от Феодосии разведаны месторождения этого сырья. А живописцам хорошо знакома краска под названием феодосийская коричневая. В прошлом художники Крыма, в частности, И. К. Айвазовский, эту краску готовили сами. Традиция имеет, очевидно, глубокие корни. Пигменты из сидерита используют также для окраски стекла, фарфора, керамики, линолеума, в кожевенной промышленности, при производстве цветных карандашей.

Доломит - смешанный карбонат кальция и магния - содержит соответственно около 30 и 22 % оксидов этих элементов. Назван в честь первооткрывателя - французского минералога Д. Доломье. Доломит как горная порода представляет интерес в качестве флюса для черной металлургии и как сырье для производства огнеупоров.

Стронцианит - карбонат стронция. Назван по местности в Шотландии и представляет минералогический интерес.

Малахит и азурит - водные карбонаты меди. Малахит окрашен в зеленый, а азурит - в синий цвет. Отсюда их синонимы - медная зелень и медная синь (лазурь) и происхождение названий. Малахит - от греческого «малахе» - мальва, по сходству с цветом этого растения. Азурит - от персидского слова, обозначающего синий цвет. Окраска - основное, определяющее свойство этих минералов. Малахит находит применение как отличный поделочный и облицовочный материал. Низкие сорта идут на приготовление прекрасной зеленой краски. Может являться он и медной рудой, (содержит 57% меди). Реже для поделок используют азурит. Из него готовят синюю краску.

Соли угольной кислоты – карбонаты натрия - твердые кристаллические вещества.

Карбонат натрия Na2CO3 – сода – важнейший продукт химической промышленности. Карбонат натрия используют в стекольном производстве, мыловарении и производстве синтетических моющих средств, эмалей, для получения ультрамарина. Также он применяется для умягчения воды паровых котлов и вообще устранения жёсткости воды, для обезжиривания металлов и десульфатизации доменного чугуна. Карбонат натрия — исходный продукт для получения NaOH, Na2B4O7, Na2HPO4.

Сода марок А и Б используется в производстве стекла всех видов, в том числе: хрусталя, оптического и медицинского стекла, стеклоблоков, пеностекла, силиката натрия растворимого, керамических плиток, компонента фритт для глазурей; черной и цветной металлургии: для производства свинца, цинка, вольфрама, стронция, хрома, для десульфуризации и дефосфации чугуна, в очистке отходящих газов, для нейтрализации сред. Для производства электровакуумного стекла используется сода кальцинированная марки А высшего сорта со строго нормированным гранулометрическим составом. Сода кальцинированная марки Б применяется в химической промышленности для производства синтетических моющих средств и жирных кислот, при очистке рассолов, в производстве фосфорных, хромовых, бариевых, натриевых солей как карбонатсодержащее сырье, в производстве глицеринов, аллилового спирта; целлюлознобумажной, анилинокрасочной, лакокрасочной и нефтяной промышленностях.

В химической промышленности пищевая сода (бикарбонат) применяется для производства красителей, пенопластов и других органических продуктов, фтористых реактивов, товаров бытовой химии, наполнителей в огнетушителях. В легкой промышленности – в производстве подошвенных резин и искусственных кож, кожевенном производстве (дубление и нейтрализация кож), текстильной промышленности (отделка шелковых и хлопчатобумажных тканей). Применяется: для снижения жесткости воды, так как соли кальция и магния, присутствие которых обуславливает жесткость воды, взаимодействуют с карбонатом натрия с образованием осадка:

CaCl2 + Na2CO3 = 2NaCl + CaCO3↓              

В качестве моющего средства, так как раствор соды обладает щелочной реакцией вследствие гидролиза (взаимодействия с водой):

CO32 - + HOH = HCO3- + OH –                       

В производстве стекла, мыла, в нефтяной, целлюлозно-бумажной промышленности.

Питьевая сода тоже гидролизуется и обладает щелочной реакцией раствора, поэтому применяется для мытья посуды, чистки сантехники и т.п. В составе наполнителя в пенных огнетушителях.

Химику полезно знать, что из-за образования большого количества газа сода не используется при попадании кислоты в пищеварительный тракт. В этом случае применяется оксид магния.

Карбонат калия K2CO3 – потáш. Белый порошок, расплывающийся во влажном воздухе и хорошо растворимый в воде. Применяется для получения жидкого мыла, тугоплавкого и хрустального стекла. Старинное название этого вещества – поташ. На Руси ее добывали еще с 16 века, она считалась достаточно ценным веществом. Однажды, в 1660 году, при угрозе нападения татар, боярин Морозов даже написал указ, что бы все крестьяне прятали и закапывали поташ, но только в такие ямы, «где б вода не была, на высоких местах», что бы хорошо растворимая соль не ушла в почву.

Изготавливали поташ следующим способом: древесную золу обрабатывали горячей водой в деревянных корытах, и получившимся раствором поливали горящий костер, но так, чтобы его не потушить. Костер упаривался и на дне крупным слое кристаллизовался поташ, который затем выдалбливали ломами и закупоривали в бочки. Для получения килограмма поташа требовалось около двух кубометров древесины, поэтому в те времена лес часто выжигали целыми посадками. Для получения поташа использовали древесину только некоторых пород дерева: клен, сосну, березу, так как в них наибольшее содержание карбоната калия. В настоящее время карбонат калия получают путем взаимодействия раствора гидроксида калия и диоксидом углерода.

Другие использования карбоната калия: - в сельскохозяйственной промышленности, как удобрение; - в стекольном производстве, для выработки оптического стекла, хрусталя; - в строительстве, как добавку в строительный раствор, для уменьшения температуры замерзания; - в фотоделе, как один из реагентов при проявлении фотографий; - в огнетушащих составах, как источник СО2; - при изготовлении жидких моющих средств; - в мыловарении.

Карбонат кальция широко встречается в природе в виде мела, известняка, мрамора (минерал кальцит). Нерастворим в воде, гидрокарбонат кальция малорастворим. Применение: в строительстве. Известняк – для кладки стен и, в виде щебня, для бетонных работ, строительства дорог. Мел – в виде порошка как наполнитель в шпаклевках, замазках, мастиках. Мрамор – для облицовки зданий и станций метрополитена. Óбжигом известняка в промышленности получают жжёную известь и углекислый газ:

CaCO3 = CaO + CO2↑                           

Для известкования кислых почв. Известняк нейтрализует почвенные кислоты, при этом выделяется углекислый газ, повышая рыхлость почвы:

CaCO3 + 2H+ =  Ca2+ + H2O +CO2↑

Применение кальцинированной соды: в различных секторах промышленности применение кальцинированной соды чрезвычайно многообразно. В наибольших количествах она применяется в стекольной промышленности. Кроме того, карбонат натрия широко используется в цветной металлургии, химической и нефтехимической промышленности, а также в целлюлозно-бумажной отрасли. Кальцинированная сода является одним из важнейших продуктов химической промышленности. В наибольших количествах продукт применяется в качестве компонента шихты при производстве стекла, при выпуске мыла и других моющих средств, а также в процессах производства каустической соды и других натриевых солей (например, Na2B4O7). Карбонат натрия находит широкое применение при обезжиривании и рафинировании металлов, десульфуризации доменного чугуна и обработке бокситов в производстве алюминия. Используется соединение и при варке целлюлозы, дублении кожи и умягчении воды паровых котлов, а также для нейтрализации кислых компонентов при очистке нефтепродуктов.

Карбонаты аммония: карбонат аммония, гидрокарбонат аммония.

Добавка E503 (карбонат аммония) представляет собой аммониевую соль угольной кислоты. В быту получил распространение как нашатырный спирт. На вид это бесцветные кристаллы, хорошо растворимые в воде. Это очень неустойчивое соединение. На воздухе уже при комнатной температуре начинает протекать химическая реакция окисления с выделением токсичного газа аммиака и превращением вещества в бикарбонат аммония (NH4HCO3). Применяется: в лекарственных препаратах (сиропы от кашля, нашатырь и др.); в качестве ускорителя ферментации при производстве вина; в качестве компонента огнетушащих составов; в косметике в качестве красителей.

Применение карбоната магния: в косметической промышленности, в качестве одного из компонента масок для нормальной и сухой кожи лица, благодаря своим мягким и вяжущим свойствам; в качестве сушильного порошка для рук в тяжелой атлетике, гимнастике, пауэрлифтинге, скалолазании; в производстве пластика, как противодымный компонент; в составах для тушения огня; для изготовления теплоизоляционных материалов; для производства присыпки, зубной пасты.