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

рНКг/ Кг0Н=10-рНln(Кг/ Кг0)01,0001,0000004,553411,0000,1000004,513221,0000,0100004,490431,0000,0010000,000441,0001,0000004,518751,0040,0001000,004461,0450,00001000,0440171,4500,00000100,371585,5020,00000011,7051

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:

Для третьего 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