Door John Brennan, bijgewerkt op 30 augustus 2022

In een chemisch systeem wordt evenwicht bereikt wanneer de voorwaartse en achterwaartse reacties met gelijke snelheden verlopen. De positie van dit evenwicht wordt bepaald door de thermodynamica, met name de energie die vrijkomt en de entropie die tijdens het proces verandert. Bij een gegeven temperatuur en druk wordt de verhouding tussen reactanten en producten bepaald door de evenwichtsconstante. Wanneer de partiële CO₂-druk bekend is, kan de evenwichtsconstante worden gebruikt om de concentratie bicarbonaat, HCO₃⁻, in oplossing te berekenen.

Stap 1:Schrijf de relevante evenwichten

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

Al deze reacties zijn omkeerbaar. Met de evenwichtsconstanten voor elke stap kunnen we de relatieve concentraties van CO₂, H₂CO₃, HCO₃⁻ en CO₃²⁻ bij evenwicht bepalen.

Stap 2:Maak praktische aannames

Uitgaande van kamertemperatuur (≈25°C) en standaard atmosferische druk, gaan we ervan uit dat carbonaat (CO₃²⁻) slechts in sporenhoeveelheden aanwezig is wanneer de pH van de oplossing ≤9 is. Onder deze omstandigheden domineren opgelost CO₂, koolzuur (H₂CO₃) en bicarbonaat (HCO₃⁻). In sterk alkalische media (pH>9) verschuift de balans naar bicarbonaat en carbonaat, waarbij koolzuur verwaarloosbaar wordt.

Stap 3:Bereken de opgeloste CO₂-concentratie

Met behulp van de wet van Henry wordt de concentratie opgelost CO₂ gegeven door:

CO₂(aq) =(2,3×10⁻²molL⁻¹atm⁻¹)×P_CO₂

waarbij P_CO₂ de partiële druk van CO₂ in atmosfeer is.

Stap 4:Schat de koolzuurconcentratie

Koolzuur ontstaat uit opgelost CO₂ volgens de evenwichtsconstante van de eerste reactie. Een empirische relatie is:

H₂CO₃ =(1,7×10⁻³molL⁻¹mol⁻¹L)×[CO₂(aq)]

Stap 5:Bepaal de bicarbonaatconcentratie

Omdat H₂CO₃ een zwak zuur is, kan de dissociatie ervan in H⁺ en HCO₃⁻ worden benaderd met behulp van de zure dissociatieconstante (K_a ≈ 4,3×10⁻⁷). Het herschikken van de uitdrukking voor K_a geeft:

4,3×10⁻⁷ =[H⁺]² / [H₂CO₃]

Uitgaande van elektroneutraliteit, [H⁺] ≈ [HCO₃⁻] bij dit pH-bereik. Het oplossen van [HCO₃⁻] levert de gewenste bicarbonaatconcentratie op:

[HCO₃⁻] =√(4,3×10⁻⁷×[H₂CO₃])

TL;DR

Bij evenwicht brengt het systeem de voorwaartse en achterwaartse reacties in evenwicht, waarbij de partiële CO₂-druk, opgelost CO₂, koolzuur en bicarbonaat met elkaar worden verbonden. Door de wet van Henry en de zuurdissociatieconstante toe te passen, kun je de bicarbonaatconcentratie in een oplossing berekenen.