탄산염
1. 개요
탄산염은 가장 간단한 옥소탄소 음이온으로, 탄소 원자가 세 개의 산소 원자에 결합된 구조를 가지며, 다양한 금속 이온과 결합하여 탄산염 화합물을 형성한다. 탄산염은 가열 시 이산화탄소를 방출하며, 산과 반응하여 이산화탄소를 생성하는 특성이 있다. 주요 탄산염 화합물로는 석회석의 주성분인 탄산칼슘, 유리 및 비누 제조에 사용되는 탄산나트륨 등이 있다. 생물학적으로는 혈액 pH 완충 작용에 관여하며, 해양 생물의 골격을 구성하는 중요한 요소이기도 하다. 탄산염 광물은 열수 침전이나 광석 풍화 등에 의해 생성되며, 지구 외 행성에서도 발견되어 물의 존재 가능성을 시사한다. 탄산염은 이산화탄소 검출에 사용되며, 산업적, 광물학적으로 중요한 화합물 군을 형성한다.
2. 구조 및 결합
탄산 이온은 가장 간단한 옥소탄소 음이온이다. 삼각 평면 배열로, D3h 분자 대칭을 가지는 세 개의 산소 원자로 둘러싸인 하나의 탄소 원자로 구성된다. 분자량은 60.01 g/mol이며, 총 형식 전하는 −2이다. 짝염기는 수소탄산염(중탄산염) 이온(bicarbonate영어)이며, 탄산의 짝염기이다.
탄산 이온의 루이스 구조는 음전하를 띤 산소 원자에 두 개의 (긴) 단일 결합과 중성 산소 원자에 하나의 짧은 이중 결합을 가지고 있다.
이 구조는 이온의 관찰된 대칭성과 양립할 수 없는데, 이는 세 결합의 길이가 같고 세 산소 원자가 동등하다는 것을 의미한다. 등전자 질산염 이온의 경우와 마찬가지로, 세 가지 구조 간의 공명을 통해 대칭성을 달성할 수 있다.
이 공명은 분수 결합과 비편재화된 전하를 가진 모델로 요약할 수 있다.
3. 화학적 특성
탄산염은 금속 이온과 결합하여 다양한 탄산염 화합물을 형성한다. 일반적인 반응식은 다음과 같다.
* 2 M+ + CO32− → M2CO3
* M2+ + CO32− → MCO3
* 2 M3+ + 3 CO32− → M2(CO3)3
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탄산염 금속은 일반적으로 가열하면 분해되어 이산화탄소를 방출하고 금속의 산화물을 남긴다. 이 과정은 산화칼슘(CaO, 생석회)의 라틴어 이름인 calx를 따서 소성이라고 하며, 석회가마에서 석회석을 구워 산화 칼슘을 얻는다.
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탄산염은 리간드로서 많은 금속 양이온과 결합한다. 전이금속 탄산염 및 중탄산염 착물은 다양한 결합 방식으로 탄산염에 공유 결합된 금속 이온을 특징으로 한다.
리튬, 나트륨, 칼륨, 루비듐, 세슘, 암모늄 탄산염은 물에 잘 녹지만, 2가 및 3가 이온의 탄산염은 물에 잘 녹지 않는 경우가 많다. 불용성 금속 탄산염 중 탄산칼슘(CaCO3)은 스케일 형태로 파이프 내부에 축적되어 유량을 방해하기 때문에 중요하다. 경수에는 탄산칼슘이 풍부하여 연수가 필요하다.
탄산염은 산과 반응하여 이산화탄소를 발생시킨다.
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따라서 산으로 스케일을 제거할 수 있다.
수용액에서 탄산염, 중탄산염(탄산수소염), 이산화탄소 및 탄산은 pH, 온도, 압력에 따라 동적 평형을 이룬다. 강염기성 조건에서는 탄산 이온이 우세하고, 약염기성 조건에서는 중탄산염 이온이 우세하다. 산성 조건에서는 수용성 이산화탄소(CO2(aq))가 주요 형태이며, 물(H2O)과 평형 상태에 있는 탄산은 이산화탄소 쪽으로 평형이 크게 기울어져 있다. 탄산나트륨은 염기성, 탄산수소나트륨은 약염기성이며, 이산화탄소 자체는 약산이다.
묽은 무기산(염산 등)을 탄산 이온을 포함하는 염에 가하면 이산화탄소 기체가 발생하므로, 탄산 이온 검출에 사용된다.
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탄산 이온 (CO₃²⁻)은 중간 정도의 강한 염기이다. 탄산 이온은 약산인 탄산수소 이온의 짝염기이며, 탄산수소 이온은 약산인 탄산의 중간 정도로 강한 짝염기이다.
3.1. 주요 탄산염 화합물
* 탄산칼슘(CaCO3): 석회석, 방해석(칼사이트), 조개껍질 등의 주성분이다. 분필이나 베이비파우더의 재료이며, 백탁색 온천의 함유 성분 및 그것을 모방한 입욕제의 성분으로도 사용된다.
* 탄산나트륨(Na2CO3): 비누, 유리 등의 원료로 사용된다. 탄산소다라고도 불린다.
* 탄산칼륨(K2CO3): 식물의 재 성분이며, 고대부터 세제로 이용되었다. 현재는 유리의 원료로 중요하다.
* 탄산리튬(Li2CO3)
* 탄산암모늄((NH4)2CO3): 탄안이라고도 불린다.
* 탄산바륨(BaCO3): 중정석의 주성분으로 인체에 유해하다. 위의 검사에서 조영제로 마시는 바륨은 이것이 아니고, 황산바륨이다.
* 탄산마그네슘(MgCO3): 운동 경기용 미끄럼 방지제, 연마제, 의약품에 이용된다.
* 탄산철(II)(FeCO3)
* 탄산은(I)(Ag2CO3)
4. 생물학적 역할
수용액에서 탄산염, 중탄산염, 이산화탄소 및 탄산은 동적 평형 상태에 있다. 혈액의 pH 균형을 조절하고 7.37~7.43 범위에서 안정적으로 유지하는 완충 작용을 하는 세 가지 가역 반응이 있다.
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호흡으로 배출되는 는 를 감소시키고, 이는 다시 를 소모하여 첫 번째 반응의 평형이 중탄산염과 수소 이온의 반응을 통해 탄산의 수준을 회복하려고 시도하는데, 이는 르 샤틀리에의 원리의 한 예이다. 그 결과 혈액은 더 알칼리성이 된다(pH 상승). 같은 원리로, pH가 너무 높으면 신장은 요소 회로(또는 크렙스-헨젤라이트 오르니틴 회로)를 통해 요소와 함께 중탄산염()을 소변으로 배출한다. 중탄산염을 제거함으로써, 세포 호흡에 의해 생성된 에서 유래하는 탄산()으로부터 더 많은 가 생성된다.
유사한 완충 작용이 바다에서도 작동한다. 이는 탄산칼슘으로 이루어진 많은 해양 생물(특히 산호) 때문에 기후 변화와 장기적인 탄소 순환에 중요한 요소이다. 온도 상승으로 인한 탄산염의 용해도 증가는 해양 방해석의 생산 감소와 대기 중 이산화탄소 농도 증가로 이어진다. 이는 다시 지구 온도를 상승시킨다. 의 양은 지질학적 규모이며 상당한 양이 결국 바다에 다시 용해되어 대기로 방출되어 수준을 더욱 높일 수 있다.
5. 탄산염 광물
광물학에서 탄산염으로 이루어진 광물을 탄산염 광물이라고 한다. 탄산염 광물은 열수로부터의 침전 및 광석의 풍화 등에 의해 생성되며, 다음과 같은 것들이 있다.
* 방해석, 문석, 바테라이트 (CaCO3)
* 돌로마이트 (CaMg(CO3)2)
* 공작석 (Cu2(CO3)(OH)2)
* 남동석 (Cu3(CO3)2(OH)2)
* 마그네사이트 (MgCO3)
* 로도크로사이트 (MnCO3)
* 시데라이트 (FeCO3)