Растворение газа, обладающего кислотными свойствами
Введение
Закон Генри показывает взаимосвязь
между концентрацией газа в растворе и давлением его над поверхностью
растворителя. Приводим формулу:
,
где C - концентрация
газа, Кг - константа Генри, p - парциальное давление газа над растворителем. В
случае, если парциальное давление газа равно 1 атмосфере, концентрация газа в
растворе равна константе Генри. Если мы используем в качестве растворителя
водные растворы кислот и щелочей, очевидно, что для газов, обладающих
кислотно-основными свойствами: СО2, SO2, NH3, NO2, PH3, Cl2 и т.д., константа
Генри будет зависеть от значения рН раствора, в котором растворяется газ.
Цель работы
Исследовать теоретически
зависимость константы Генри от рН раствора, в котором растворяется газ,
обладающий кислотными свойствами.
Выполнение работы
В качестве газа, обладающего
кислотными свойствами, выберем СО2. Как было показано выше, константа Генри
равняется концентрации СО2, при условии р=1атмосфера. Принимаем, что суммарная
концентрация газа в растворе определяется концентрациями следующих частиц:
[H2CО3], [HC03-], [CО32-]. Присутствие таких частиц в растворе обусловлено
следующими процессами:
Первый процесс
характеризуется константой равновесия равной константе диссоциации угольной
кислоты по первой ступени:
Второй процесс
характеризуется константой равновесия численно равный константе диссоциации
угольной кислоты по второй ступени:
Таким образом,
,
где [H2CO3] - равновесная
концентрация молекул угольной кислоты,
[HCO3-] -равновесная концентрация в
растворе частиц бикарбоната HCO3-,
[CO32-] - равновесная концентрация в
растворе частиц карбоната CO32-.
Выразим концентрацию частиц [HCO3-]
и [CO32-] через равновесную концентрацию молекул угольной кислоты.
где К1 и К2 константа
диссоциации угольной кислоты по первой и второй ступени соответственно.
Следовательно,
Преобразуем уравнение в
следующий вид:
Выразим концентрацию
[Н+] через рН.
Очевидно, что при рН
стремящимся к нулю последнее произведение стремится к единице поскольку порядок
значения К1 составляет 10-7, следовательно при pH=0 константа Генри равна
концентрации Н2СО3, обозначим её через Кг0. (константа Генри при нулевом
значении рН). Поскольку для данной системы это постоянная величина, мы
переносим её в левую часть в виде:
Данное уравнение
отражает зависимость константы генри от рН при очевидном условии, что Кг0 есть
постоянная величина для данной системы.
Зависимость Кг/ Кг0 от
рН
рН
|
Кг/ Кг0
|
Н=10-рН
|
ln(Кг/ Кг0)
|
0
|
1,000
|
1,000000
|
4,5534
|
1,000
|
0,100000
|
4,5132
|
2
|
1,000
|
0,010000
|
4,4904
|
3
|
1,000
|
0,001000
|
0,0004
|
4
|
1,000
|
1,000000
|
4,5187
|
5
|
1,004
|
0,000100
|
0,0044
|
6
|
0,0000100
|
0,04401
|
7
|
1,450
|
0,0000010
|
0,3715
|
8
|
5,502
|
0,0000001
|
1,7051
|
Рис. 3.1 Зависимость рН от ln (Кг/
Кг0)
Как видим, на графике присутствуют 2
точки перелома, т.е. на графике присутствуют 3 участка. Такой ход графика
объясняется тем, что первый участок ограничивается интервалом рН [0,6], т.е.
при этих значениях рН растворенный СО2 присутствует в форме не диссоциируемых
молекул уксусной кислоты. На втором участке, т.е. в интервале рН [6,10], весь
растворенный СO2 в растворе содержится в виде бикарбонат-иона HCO3-, а
концентрация карбонат-ионов CO32- практически равна нулю. На третьем участке,
т.е. в интервале значений рН [10,14], весь растворенный СО2 в растворе
присутствует в виде карбонат-иона CO32-, а концентрация бикарбонат-ионов HCO3-
практически равна нулю.
Для исследования графической
зависимости логарифмируем уравнение.
газ растворение кислотный
Учитывая всё выше сказанное, мы
можем записать для первого участка:
Для второго участка:
Как видно, последние
уравнения представляют уравнения прямой. Из найденных трех уравнений функции
вычислим первые производные. Для первого случая производная равна нулю, для
второго - 1, для третьего - 2.
Вывод
При давлении углекислого газа равным
1 атмосфере над поверхностью раствора и значением рН, лежащим в пределах [0,
14], весь растворенный углекислый газ находится в виде молекул, а его
концентрация равна константе Генри при постоянной температуре опыта. Баланс
между СО2, бикарбонатом и карбонатом зависит от рН. Здесь действует принцип Ле
Шателье - наличие в растворе катион-водорода Н+ сдвигает щелочную реакцию среды
и кислую сторону (рН до 5,5). И наоборот, удаление протонов из системы смещает
равновесие реакции влево, когда СО2 восполняется из карбоната и бикарбоната.
Таким образом, при низком значении рН в системе преобладает СО2, и фактически
ни бикарбоната, ни карбоната не образуется, тогда при нейтральном значении рН
бикарбонат доминирует над СО2 и Н2СО3. И только при высоких значениях рН
преобладает карбонат.
Список литературы
Батлер Д.Н. “Ионные равновесия”. Пер. с англ., Изд-во “Химия”, Л.,
1973. Стр. 448, табл. 26, рис.116.
Лурье Ю.Ю. “Справочник по аналитической химии”. Изд-во: Москва
“Химия”, 1971. Стр. 237.
Угай Я.А. “Общая химия”. Изд-во: Высшая школа. 1984. Стр. 136-139