Carbonate

L'ion carbonate est l'ion polyatomique de formule chimique CO32−. En chimie, un carbonate est un sel associant cet anion à un ou plusieurs cations. En minéralogie, les carbonates sont des minéraux dont la composition chimique est celle d'un carbonate : aragonite et calcite CaCO3, dolomite CaMg(CO3)2etc.

Sur Terre, sur le long terme, les carbonates jouent un rôle majeur dans le rétrocontrôle du climat et des gaz à effet de serre via le cycle du carbone. Ils constituent (dans le manteau terrestre, après sédimentation dans les océans et surtout sous forme de carbonate de calcium) l'essentiel des puits (« durables ») de carbone[1].

Quelques exemples de carbonates :

Carbonat-Ion
Schéma du carbonate.
Carbonate-3D-vdW
Structure d'un ion carbonate.

Structure

Dans l'ion carbonate CO32−, chaque atome de carbone se trouve au centre d'un triangle équilatéral dont chaque sommet est occupé par un atome d'oxygène.

Aucun ion oxygène n'est commun à deux groupements triangulaires carbone-oxygène ; ceux-ci doivent être considérés comme des unités distinctes dans la structure des minéraux carbonatés et ils sont en grande partie responsables des propriétés particulières de ce groupe.

La liaison entre le carbone central et les oxygènes est moins forte que dans le dioxyde de carbone. En présence de l'ion hydrogène, le radical carbonate devient instable et se brise. Cette instabilité est à l'origine des tests à l'acide qui permettent de reconnaître les carbonates dans un composé organique ou inorganique. Au contact d'une solution d'acide chlorhydrique HCl, les ions CO32− forment du dioxyde de carbone CO2, dont le dégagement gazeux est observable sous forme d'effervescence.

Lorsque l'ion carbonate est combiné avec les cations divalents (Ca2+, Fe2+etc.), il forme des composés de structure géométrique simple, généralement rhomboédrique ou orthorhombique. Le carbonate de calcium cristallise à la fois avec la structure rhomboédrique de la calcite et la structure orthorhombique de l'aragonite.

Propriétés

Les carbonates sont des minéraux que l'on trouve en abondance à la surface de la Terre. Le carbonate de calcium est le constituant principal des coquilles de nombreux organismes. On le retrouve surtout dans la lithosphère sous forme de roches dites calcaires, les plus abondantes parmi les roches sédimentaires. Ce stock considérable de carbone est alimenté par le métabolisme des êtres vivants sous forme de dioxyde de carbone, lequel donne notamment, en se combinant avec les métaux divalents, des composés insolubles dans les conditions normales de la lithosphère : les carbonates. Des dissociations ultérieures peuvent cependant intervenir, à la faveur desquelles le carbone mis en réserve est restitué à la biosphère et à l'atmosphère. Ainsi les carbonates se trouvent à la croisée des cycles biochimique et géochimique du carbone, localisés essentiellement dans la zone superficielle de la lithosphère. La présence des carbonates dans les roches d'origine interne est, en effet, exceptionnelle et elle pose l'un des problèmes les plus intéressants de la pétrologie, celui de l'origine « primaire » du carbone en profondeur.

Les carbonates alcalins ne se dissocient qu'à très haute température, les carbonates alcalino-terreux et le carbonate de lithium à température moins élevée ; la température à laquelle une pression déterminée de dioxyde de carbone est atteinte décroît du carbonate de baryum au carbonate de magnésium, en passant par le strontium puis le calcium. Les carbonates alcalins solubles dans l'eau sont hydrolysés. Le point de fusion du carbonate de sodium anhydre atteint 851 °C alors qu'il se dissout dans son eau de cristallisation à partir de 34 °C.

Carbonate de calcium

Les roches carbonatées sont des roches sédimentaires composées d'une grande proportion de carbonate ; souvent du carbonate de calcium (CaCO3).

Exemples :

Carbonate de calcium :

Il existe plusieurs variétés minéralogiques du carbonate de calcium, ces deux types différent par leur système cristallin. il s'agit de la calcite (système rhomboédrique) qui est la forme la plus stable et l'aragonite (système orthorhombique) qui est la forme qui cristallise naturellement dans les océans actuels. Une autre variété est la vatérite, mais cette forme est rare car très instable dans les conditions de pression et de température normales.

Différents types de carbonates

Notes et références

  1. Claudine Biellmann, Stabilité et réactivité des carbonates à très hautes pression et température : Implications pour le stockage du carbone dans le manteau terrestre, Rennes, Université de Rennes I, coll. « Mémoires de géosciences Rennes », , 230 p. (ISBN 978-2-905532-54-1).

Voir aussi

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Acide carbonique

L’acide carbonique est un composé chimique de formule H2CO3. Il s'agit d'un acide faible dont les bases conjuguées sont les anions HCO3- (bicarbonate) et CO32- (carbonate). Il se forme en particulier dans l'eau par solvatation du dioxyde de carbone :

CO2 (aq) + H2O(l)    H2CO3 (aq),

avec une constante d'équilibre d'hydratation valant Kh = [H2CO3] / [CO2] ≈ 1,70×10-3 à 25 °C, ce qui signifie que l'acide carbonique est une molécule instable, très peu de molécules de dioxyde de carbone étant en fait hydratées en acide carbonique, comme dans l'eau gazéifiée et le sang.

Apatite

L'apatite est un nom générique désignant des phosphates hexagonaux de composition assez variable, Ca5(PO4)3(OH, Cl, F). Trois espèces sont reconnues par l'IMA, nommées selon l'anion prévalent :

Chlorapatite Ca5(PO4)3Cl

Fluorapatite Ca5(PO4)3F

Hydroxyapatite Ca5(PO4)3(OH)Deux variantes monocliniques précédemment reconnues comme espèces (dont la clinohydroxyapatite) sont maintenant reconnues comme des polytypes.

Tous comportent des tétraèdres PO4 isolés, avec des ions Ca2+ en coordination 9. Les carbonate-apatites remplacent un tétraèdre PO4 par un groupe CO3OH ouCO3F.

Bicarbonate

Le bicarbonate, ou hydrogénocarbonate, est un ion polyatomique dont la formule chimique est HCO3-.

Le bicarbonate doit son préfixe ("bi-") à son double caractère acido-basique (dit caractère amphotère) : il est à la fois acide et base, appartenant à deux couples acido-basiques différents.

Il s'agit de la forme intermédiaire dans la double déprotonation de l'acide carbonique : ôter le premier proton (ion H+) de l'acide carbonique donne le bicarbonate ; ôter le second proton donnera la forme carbonate ionique.

Le mot s'écrit au pluriel (bicarbonates) lorsqu'il s'agit des sels de l'ion bicarbonate: par exemple, le bicarbonate de sodium (souvent appelé « bicarbonate de soude » par abus de langage, ou « soda à pâte » et « petite vache » au Canada) de formule NaHCO3, qui est le sel de l'ion bicarbonate le plus répandu et le plus utilisé. Il contribue à la digestion par notre organisme.

Bicarbonate de sodium

Le bicarbonate de sodium (ou carbonate monosodique ou carbonate acide de sodium, anciennement bicarbonate de soude), l'hydrogénocarbonate de sodium en nomenclature moderne, est un composé chimique inorganique décrit par la formule brute NaHCO3.

C'est un composé ionique blanc de l'anion hydrogénocarbonate et du cation sodium, qui se présente sous forme de poudres. La forme ultra pure, très rare, est constituée de cristaux prismatiques blancs.

Ce corps minéral anhydre, sous l'appellation minéralogique de nahcolite, apparaît néanmoins dans la nature sous la forme d'agrégats de cristaux prismatiques, le plus souvent en veines fibreuses ou en concrétions. Au laboratoire, l'hydrogénocarbonate de sodium apparaît sous la forme de fins cristaux blancs, solubles dans l'eau.

Calcaire

Les calcaires sont des roches sédimentaires, tout comme les grès ou les gypses, facilement solubles dans l'eau (voir karst), composées majoritairement de carbonate de calcium CaCO3, mais aussi de carbonate de magnésium MgCO3.

Calcite

La calcite est un minéral chimique ou biochimique (biominéralisation) composé de carbonate naturel de calcium de formule CaCO3, avec des traces de Mn, Fe, Zn, Co, Ba, Sr, Pb, Mg, Cu, Al, Ni, V, Cr et Mo. L'abondance des cations autres que le calcium explique la richesse des variétés décrites pour ce minéral.

Polymorphe de l’aragonite et de la vatérite, isostructurale avec la nitratine et l'otavite, la calcite forme une série continue avec la rhodochrosite. Elle est souvent présente dans les roches carbonatées, et dans une moindre mesure dans les roches métamorphiques et les météorites.

Carbonate (Italie)

Carbonate est une commune de la province de Côme en Lombardie en Italie.

Carbonate de calcium

Le carbonate de calcium (CaCO3) est composé d'ions carbonate (CO32-) et d'ions calcium (Ca2+). Cette substance blanche a une masse molaire de 100,1 g/mol.

Le carbonate de calcium est le composé majeur des calcaires comme la craie, mais également du marbre. C'est aussi le constituant principal des coquilles d'animaux marins, du corail et des escargots.

Ca2+ + CO32– → CaCO3.Le carbonate de calcium cristallise naturellement avec deux formes cristallines principales : l'aragonite et la calcite. Les deux autres formes cristallines sont plus rares : la vatérite & un hexahydrate, forme intermédiaire peu stable qui évolue vers la calcite. Il peut se présenter, dans les processus de cristallisation, sous forme de colloïde contenant de fins cristaux des formes plus stables.

L'ion bicarbonate HCO3–, également appelé hydrogénocarbonate, est à la base de la formation du carbonate de calcium CaCO3 qui est faiblement soluble dans l'eau et est le constituant principal du calcaire (le calcaire minéral à l'état non pulvérulent est non soluble, le calcaire à l'état pulvérulent (de 2 à 20 μm) est faiblement soluble) :

Ca2+ + 2 HCO3– → CaCO3 + H2CO3.En milieu acide, en revanche, le carbonate de calcium se convertit en bicarbonate de calcium Ca(HCO3)2, très soluble dans l'eau. Cette transformation se fait en milieu naturel à partir du gaz carbonique CO2 plus ou moins dissout dans l'eau H2O, suivant la pression partielle en CO2 et la température, qui forme de l'acide carbonique CO3H2. Dans ces conditions, les carbonates sont exposés au double équilibre réversible :

CO2 (gaz) + H2O ↔ CO3H2 (soluble)

CaCO3 (insoluble) + CO3H2 (soluble) ↔ Ca(CO3H)2 (soluble)Une présence de dioxyde de carbone dans l'eau entraîne donc une dissolution des carbonates ; mais la quantité de carbonate dissoute dépend de la dissolution du gaz carbonique, et donc de son équilibre avec l'atmosphère. Inversement, une restitution du dioxyde de carbone (induite par des changements de température ou de pression, ou par la présence de micro-algues) inverse la réaction et fait précipiter les carbonates.

C'est donc formellement un sel, d'une base faible (Ca(OH)2, pKa = 12,6) et d'un acide faible (H2CO3, pKa = 6,35), capable de réagir avec les acides forts pour donner des sels de calcium, de l'eau et du dioxyde de carbone, qui est à la pression atmosphérique et à température ambiante, gazeux et volatil :

CaCO3 + 2 HCl → CO2 + H2O + CaCl2 ;

CaCO3 + 2 RCOOH → CO2 + H2O + Ca(RCOO)2.À partir de 800 °C survient une réaction de décomposition fortement endothermique :

CaCO3 → CaO + CO2.CaO est la chaux vive, qui fait l'objet d'une très grande industrie, la deuxième après le raffinage du pétrole en termes de quantités et de tonnes de CO2 produites, soit 800 kg de Gaz à Effet de Serre (GES) pour une tonne de ciment, représentant 5 % des émissions de GES au niveau mondial. C’est d'ailleurs pour cette réaction que le carbonate de calcium porte, dans certaines industries, le nom de carbonate de chaux, qui était l'ancien nom avant que le calcium ne soit isolé.

Carbonate de magnésium

Le carbonate de magnésium (MgCO3) est un solide de couleur blanche, qui se trouve à l'état minéral dans la nature. C'est un composant de la magnésite. Sous forme de poudre, le carbonate de magnésium est utilisé comme anti-transpirant dans de nombreux sports, connu sous le nom de magnésie.

Carbonate de potassium

Le carbonate de potassium, K2CO3, est un solide ionique, qui a l'aspect dans la nature d'un sel blanc ou légèrement coloré, basique et hygroscopique, fondant vers 900°C mais se décomposant avant ébullition. Ces amas constituent une roche évaporite qui représente ses gisements naturels, par exemple près de la mer Morte.

Il s'agit du principal constituant de la potasse des Anciens, connue depuis l'Antiquité.

Carbonate de sodium

Le carbonate de sodium est un corps composé chimique minéral ayant pour formule Na2CO3 et correspondant à l'espèce minérale naturelle dénommée la natrite. Il s'agit d'un sel de sodium de l'acide carbonique, il représente un des grands produits polyvalents de la chimie moderne. Dans le langage courant, ce solide ionique, le plus souvent sous forme poudreuse, et ses solutions aqueuses sont dénommés respectivement cristaux de soude et soude, du nom commun de cet ancien alcali minéral, utilisé précocement dans l'industrie verrière antique.

Par contre, il ne faut pas confondre le carbonate de sodium Na2CO3 avec la soude caustique NaOH (hydroxyde de sodium) ou encore avec le bicarbonate de sodium NaHCO3, autrefois nommé communément bicarbonate de soude.

Carbonates sur Mars

Les preuves de l'existence des carbonates sur Mars ont été inaccessibles jusqu'à récemment. Par exemple, beaucoup d'instruments de détection comme OMEGA et THEMIS sensibles aux émissions infrarouges caractéristiques des carbonates n'ont pas suggéré leur présence en surface, à des échelles spatiales de 100 mètres ou plus. Bien que omniprésent, les carbonates dominés par la magnésite MgCO3 dans la poussière martienne représentent moins de 5 % en fraction massique et pourraient avoir été formés sous les conditions atmosphériques actuelles. De plus, exceptés en tant que composants de la poussière, les carbonates n'ont été détectés par aucune mission in situ, même si des modèles minéralogiques n'excluent pas de petites quantités de carbonate de calcium dans certaines roches de Husband Hill dans le cratère Gusev.

La première identification réussie à l'échelle locale (inférieur à 10 km) d'un fort signal spectral infrarouge provenant de carbonates de surface a été réalisée par l'équipe MRO-CRISM. L'équipe a identifié un dépôt dans Nili Fossae dominé par une seule phase minérale qui est spatialement associée avec des affleurements d'olivine. Le minéral dominant s'est révélé être de la magnésite bien que la morphologie basées sur des observations obtenues par HiRISE et les propriétés thermiques suggéraient que le dépôt était lithique. Stratigraphiquement, cette couche est apparu être située entre des phyllosilicates en dessous et des roches mafiques au-dessus, temporellement entre le Noachien et l'Hespérien.

L'absence de dépôts de carbonates plus vastes sur Mars est supposée être en lien avec des environnements aqueux globalement dominés par de faibles pH. Même le moins soluble des carbonates, la sidérite (FeCO3), précipite à des pH supérieurs à 5,.

En 2008, un dépôt important de carbonates en surface est identifié par les expériences TEGA et WCL de la sonde Phoenix : le sol situé à proximité du site d'atterrissage est alcalin et renferme entre 3 et 5 %m de calcite (CaCO3).

Dolomie

La dolomie est une roche sédimentaire carbonatée composée d'au moins 50 % de dolomite, un carbonate double de calcium et de magnésium, de composition chimique CaMg(CO3)2, qui cristallise en prismes losangiques (rhomboèdres).

Magnésite

La magnésite est une espèce minérale composée de carbonate de magnésium de formule MgCO3 avec des traces : Fe;Mn;Ca;Co;N et de composés organiques.

Malachite

La malachite est une espèce minérale du groupe des carbonates minéraux et du sous-groupe des carbonates anhydres avec anions étrangers de formule Cu2CO3(OH)2,

Natron

Le natron ou atroun désigne d'abord un minéral, le carbonate de sodium décahydraté de formule chimique Na2CO3 • 10 H2O. Mais c'est aussi une roche évaporitique qui a la singulière propriété, en présence d'eau ou d'humidité, de développer à sa surface le minéral natron (souvent accompagné de diverses impuretés).

Cette roche parfois massive contient principalement des dépôts carbonatés et hydrogénocarbonatés alcalins à base de trona, de bicarbonate de sodium ou nahcolite et d'autres carbonates hydratés, comme le monohydrate de carbonate de sodium ou thermonatrite, susceptible de redonner en milieu humide et frais du carbonate de sodium décahydraté.

Ce corps chimique naturel-là, dénommé autrefois alcali minéral ou simplement das Soda en allemand, se présente aussi sous la forme d'une substance blanche, évanescente et éphémère, que l'on trouve au bord de certains lacs sodés, temporaires ou permanents, à eaux saumâtres du désert.

Sel (chimie)

En chimie, un sel est un composé ionique composé de cations et d'anions formant un produit neutre et sans charge nette. Ces ions peuvent être aussi bien minéraux (chlorure Cl−) qu'organiques (acétate CH3-COO−) et monoatomiques (fluorure F−) aussi bien que polyatomiques (sulfate SO42−).

Les anions porteurs de deux charges négatives ou plus peuvent former des sels doubles ou triples ; par exemple, ces deux sels qui sont très présents dans la croûte terrestre :

les feldspaths, des silicates [Si3O84-] doubles de potassium [K+] et d'aluminium [Al3+] ;

la dolomite, un carbonate double de calcium et magnésium [CaMg(CO3)2].Les solutions de sels dans l'eau sont appelées électrolytes, car conductrices de l'électricité.

Les sels fondus sont tout aussi conducteurs que les électrolytes.

Sidérite

La sidérite est une espèce minérale composé de carbonate de fer de formule brute FeCO3 avec des traces de Mg ; Mn ; Ca ; Co ; Zn. Rarement pure, la sidérite contient souvent du magnésium et du manganèse et forme une solution solide continue avec la magnésite et la rhodochrosite. En revanche, la substitution calcium par fer est limitée en raison de la différence des rayons ioniques.

Altérée par oxydation à l'air humide, elle se transforme en limonite en prenant une coloration brun-noir, beaucoup d'échantillons de sidérite sont en fait des pseudomorphoses en limonite.

Travertin

Le travertin est une roche sédimentaire calcaire continentale biogénique (construite par des organismes vivants ; on parle de biolithogenèse), grossièrement litée, parfois concrétionnée, de couleur blanche quand elle est pure, ou tirant vers le gris, le jaunâtre, le rougeâtre ou le brun, selon les impuretés qu'elle renferme. La roche est caractérisée par de petites cavités (vacuoles) inégalement réparties.

Les travertins actuels contiennent de l'aragonite qui recristallise rapidement en calcite.

Selon J Curie, le mot travertin désigne la roche produite en condition thermale (eau naturellement réchauffée), alors que le tuf calcaire désigne la roche produite dans une eau froide.

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