 |
АвтоАвтоматизацияАрхитектураАстрономияАудитБиологияБухгалтерияВоенное делоГенетикаГеографияГеологияГосударствоДомДругоеЖурналистика и СМИИзобретательствоИностранные языкиИнформатикаИскусствоИсторияКомпьютерыКулинарияКультураЛексикологияЛитератураЛогикаМаркетингМатематикаМашиностроениеМедицинаМенеджментМеталлы и СваркаМеханикаМузыкаНаселениеОбразованиеОхрана безопасности жизниОхрана ТрудаПедагогикаПолитикаПравоПриборостроениеПрограммированиеПроизводствоПромышленностьПсихологияРадиоРегилияСвязьСоциологияСпортСтандартизацияСтроительствоТехнологииТорговляТуризмФизикаФизиологияФилософияФинансыХимияХозяйствоЦеннообразованиеЧерчениеЭкологияЭконометрикаЭкономикаЭлектроникаЮриспунденкция
СО2 СО ТОВАРИЩИ, pН, И СНОВА ЕДИНИЦЫ ИЗМЕРЕНИЯ
Согласно закону Генри содержание газа воздушной смеси в воде пропорционально его доле в воздухе (парциальному давлению) и коэффициенту абсорбции. Воздух содержит до 0,04% СО2, что соответствует его концентрации до 0,4 мл/л. Коэффициент абсорбции СО2 водой=12,7. Тогда 1 литр воды может растворить 0,6 – 0,7 мл СО2 (мл, а не мг!). Для сравнения, его биологический антипод – кислород, при 20%-ном содержании в атмосфере и коэффициенте абсорбции 0,05 обладает растворимостью 7 мл/л. Сравнение коэффициентов абсорбции показывает, что при прочих равных растворимость СО2 значительно превышает растворимость кислорода. Попробуем разобраться, за что же такая несправедливость.
В отличие от кислорода и азота, углекислый газ - СО2, является не простым веществом, а химическим соединением – оксидом. Как и другие оксиды, он взаимодействует с водой с образованием гидратов оксидов и, как и у других неметаллов, его гидроксидом является кислота (угольная):
СО2+Н2О = Н2СО3.
В итоге большей относительной растворимостью углекислый газ обязан химическому связыванию его водой, чего не происходит ни с кислородом, ни с азотом. Рассмотрим внимательнее кислотные свойства угольной кислоты, применив закон действия масс и приняв во внимание, что [H2O] = const:
СО2+Н2О=Н++НСО3-; К1 = [Н+][HCO3-]/[CO2] = 4•10-7
НСО3-=Н++СО3--; К2 = [H+][CO3--]/[HCO3-] = 5,6•10-11
здесь К1 и К2 – константы диссоциации угольной кислоты по 1 и 2-ой ступени.
Ионы НСО3- называются гидрокарбонатами (в старой литературе бикарбонатами), а ионы СО3-- - карбонатами. Порядок величин К1 и К2 говорит о том, что угольная кислота является весьма слабой кислотой (К1<1 и К2 <1), а сравнение величин К1 и К2 – о том, что в ее растворе доминируют гидрокарбонат-ионы (К1>К2).
Из уравнения К1 можно рассчитать концентрацию ионов водорода Н+:
[H+] = K1[CO2]/[HCO3-]
Если выразить концентрацию Н+ через рН, как это в свое время сделали Хендерсон и Хассельбальх для теории буферных растворов, то получим:
рН = рК1 – lg[CO2]/[HCO3-]
или удобнее
рН = рК1 + lg[HCO3-]/[CO2]
где, по аналогии с рН, рК1 = -lgК1 =-lg4•10-7 = 6,4 = const. Тогда pH=6,4 + lg[HCO3-]/[CO2]. Последнее уравнение известно как уравнение Хендерсона – Хассельбальха. Из уравнения Хендерсона – Хассельбальха следуют по крайней мере два важных вывода. Во-первых, для анализа величины показателя рН необходимо и достаточно знания концентраций компонентов только СО2 -системы. Во-вторых, значение показателя рН определяется отношением концентраций [HCO3-]/[CO2], а не наоборот.
Поскольку содержание [HCO3-] неизвестно, для вычисления концентрации Н+ в дистиллированной воде можно воспользоваться принятой в аналитической химии формулой [H+] = √K1[CO2]. Тогда рН = -lg√K1[CO2]. Чтобы оценить интересующую нас величину показателя рН, вернемся к единицам измерения. Из закона Генри известно, что концентрация СО2 в дистиллированной воде составляет 0,6мл/л. Выражение [CO2] означает молярную концентрацию (см. выше) углекислого газа. 1М СО2 весит 44 грамма, и при нормальных условиях занимает объем 22,4 литра. Тогда для решения задачи необходимо определить, какую долю от 1М, т.е. от 22,4 литров, составляют 0,6 мл. Если концентрация СО2 выражена не в объемных, а в весовых единицах, т.е. в мг/л, то искомую долю необходимо считать от молярного веса СО2 – от 44 грамм. Тогда искомая величина составит:
[CO2] = x•10-3/22,4 = y•10-3/44
где х – объемная (мл/л), у – весовая (мг/л) концентрация СО2. Простейшие вычисления дают приблизительную величину 3•10-5М СО2 , или 0,03mM. Тогда
рН = -lg√K1[CO2] = -lg√(4•10-7)(3•10-5) = -lg√12•10-12 = -lg(3,5•10-6) = 5,5
что вполне согласуется с измеряемыми значениями.
Из уравнения Хендерсона-Хассельбальха видно, как величина показателя рН зависит от отношения [НСO3-]/[СО2]. Приблизительно можно считать, что если концентрация одного компонента превышает концентрацию другого в 100 раз, то последней можно пренебречь. Тогда при [НСО3-]/[СО2] = 1/100 рН = 4,5, что можно считать нижним пределом для СО2 -системы. Меньшие значения показателя рН обусловлены присутствием не угольной, а других минеральных кислот, например серной, соляной. При [НСО3-]/[СО2] = 1/10, рН = 5,5. При [НСО3-]/[СО2] = 1, или [НСО3-] = [СО2], рН = 6,5. При [НСО3-]/[СО2] = 10, рН = 7,5. При [НСО3-]/[СО2] =100, рН = 8,5. Считается, что при рН>8,3 (точка эквивалентности фенолфталеина) свободная углекислота в воде практически отсутствует.
Поиск по сайту: