Sådan beregnes bikarbonatkoncentration ud fra CO₂-partialtryk

Af John Brennan, opdateret 30. august 2022

I et kemisk system opnås ligevægt, når de fremadrettede og omvendte reaktioner forløber med samme hastighed. Placeringen af ​​denne ligevægt er styret af termodynamik - specifikt den frigivne energi og entropien ændres under processen. Ved en given temperatur og tryk er forholdet mellem reaktanter og produkter fastsat af ligevægtskonstanten. Når partialtrykket af CO₂ er kendt, kan ligevægtskonstanten bruges til at beregne koncentrationen af bicarbonat, HCO₃⁻, i opløsning.

Trin 1:Skriv de relevante ligevægte

1. CO₂ (g) + H₂O (l) ⇌ H₂CO₃ (vandig)
2. H₂CO₃ (aq) ⇌ H⁺ (aq) + HCO₃⁻ (aq)
3. HCO₃⁻ (aq) ⇌ H⁺ (aq) + CO₃²⁻ (aq)

Alle disse reaktioner er reversible. Ligevægtskonstanterne for hvert trin giver os mulighed for at bestemme de relative koncentrationer af CO₂, H₂CO₃, HCO₃⁻ og CO₃²⁻ ved ligevægt.

Trin 2:Lav praktiske antagelser

Under antagelse af stuetemperatur (≈25°C) og standardatmosfærisk tryk, betragter vi typisk kun carbonat (CO₃²⁻) for at være til stede i spormængder, når opløsningens pH er ≤9. Under disse betingelser dominerer opløst CO2, kulsyre (H2CO3) og bicarbonat (HCO3-). I stærkt alkaliske medier (pH>9) skifter balancen mod bicarbonat og carbonat, hvor kulsyre bliver ubetydelig.

Trin 3:Beregn koncentrationen af opløst CO₂

Ved at bruge Henrys lov er koncentrationen af opløst CO₂ givet ved:

CO₂(aq) =(2,3×10⁻²molL⁻¹atm⁻¹)×P_CO₂

hvor P_CO₂ er partialtrykket af CO₂ i atmosfærer.

Trin 4:Estimer kulsyrekoncentrationen

Kulsyre dannes ud fra opløst CO₂ i henhold til ligevægtskonstanten for den første reaktion. Et empirisk forhold er:

H2CO3 =(1,7x10-3molL-1mol-1L)×[CO2(vandig)]

Trin 5:Bestem bikarbonatkoncentrationen

Fordi H2CO3 er en svag syre, kan dens dissociation i H⁺ og HCO3⁻ tilnærmes ved hjælp af syredissociationskonstanten (K_a ≈ 4,3×10⁻⁷). Omarrangering af udtrykket for K_a giver:

4,3×10⁻⁷ =[H⁺]² / [H₂CO₃]

Forudsat elektroneutralitet, [H⁺] ≈ [HCO₃⁻] ved dette pH-område. Løsning for [HCO₃⁻] giver den ønskede bicarbonatkoncentration:

[HCO₃⁻] =√(4,3×10⁻⁷×[H₂CO₃])

TL;DR

Ved ligevægt balancerer systemet de fremadrettede og omvendte reaktioner, og forbinder CO₂-partialtryk, opløst CO₂, kulsyre og bicarbonat. Ved at anvende Henrys lov og syredissociationskonstanten kan du beregne bicarbonatkoncentrationen i en opløsning.