Uhličitanová rovnováha
Chtěl bych se zeptat co uhličitanová rovnováha vyjadřuje. Našel jsem ji pouze pro vodu ( všechny formy C jsou v rovnováze-CO2, H2CO3,... ), ale potřeboval bych o tom vědět něco víc.
Děkuji
Děkuji
Odpovědi
Diskuze
CO2 + H2O = H2CO3 => H2CO3 + H2O = H3O+ + HCO3- nebo
CO2 + 2H2O = H3O+ + HCO3-
Ať už je to jak chce, existuje první rovnováha mezi koncentrací rozpuštěného CO2 a koncentrací iontů HCO3-. Ta je ovšem současně podmíněna i nepříliš vysokou koncentrací H3O+. V kyselých roztocích se rovnováha reakce CO2 s vodou posune ve prospěch CO2 a vody. Je -li potom CO2 odstraňován třeba provzdušňováním vody, hydrogenuhličitanové ionty z roztoku zcela vymizí. Rozpustnost CO2 může být také potlačena zvýšením teploty.
Hydrogenuhličitanový iont je ovšem amfiprotní - může proton jak vázat, tak i uvolňovat:
HCO3- + OH- = CO3-- + H2O za vzniku uhličitanového iontu. Tak vzniká relativně složitá kaskáda rovnovážných reakcí:
CO2 + 2H2O = HCO3- + H3O+ ; HCO3+ + H2O + CO3-- + H3O+
Celá kaskáda je řízená koncentrací oxoniových iontů ( a snimi svázanou koncentrací OH-). Ale mohou ji ovlivňovat i další vlivy.
Jak jsem uvedl nahoře, dá se zahříváním CO2 z vody vypudit a tím i vymizí oba ionty, vzniklé reakcí s vodou. Trochu jinak budou reagovat hydrogenuhličitany:
2NaHCO3 = 2Na+ + 2HCO3-; 2HCO3- = CO3-- + H2O + CO2; 2Na+ + CO3-- = Na2CO3
Část Na2CO3 bude hydrolýzovat:
Na2CO3 + H2O = NaHCO3 + NaOH
Závěr - vodné roztoky hydrogenuhličitanů se varem rozkládají na uhličitany a CO2. Pokud jsou vzniklé uhličitany nerozpustné, (Mg++, Ca++) srážejí se jako "kotelní kámen. Jsou li rozpustné (uhličitany alkalických kovů), vzniká varem uhličitan s příměsí hydroxidu. Zvýšené pH posune rovnováhu ve prospěch iontu CO3-- a únik CO2 se zastaví.
Stačí?
Vím, že ve vodě probíhá teoreticky následující reakce:
CO2 + H2O <=> [H2CO3] <=> HCO3- + H+ ...
Uhlík je tedy ve vodě obsažen ve třech formách: CO2 (H2CO3), HCO3, CO3 ... a vzájemný poměr těchto forem je závislý na pH. Takže například při pH 6 je uhlík obsažený ve vodě ze 77% ve formě HCO3 a z 23% ve formě CO2. Při pH 8 to už činí jen 3% CO2 vs. 96% HCO3 vs. 1% CO3 ... atd. Kromě toho vím, že KH (alkalita) je tvořena převážně HCO3 + CO3. To znamená, že přidáváním plynného CO2 do vody (což se dělá např. v akvaristice) se KH nemění (nebo jen zanedbatelně). To mi ale nejde na rozum, protože v systému jde přece o rovnovážný stav ... a pokud má voda vyšší pH (např. pH=8), tak by drtivá většina přidaného CO2 měla zreagovat s vodou za vzniku velkého množství HCO3. K tomu však očividně nedochází, protože KH (tj. koncentrace HCO3+CO3) se nijak nemění. Co se tedy vlastně děje, když do vody přidávám CO2 (z tlakové lahve), a to se ve vodě více či méně dokonale rozpouští? Znamená to, že v takovém případě CO2 s vodou reaguje pouze tak, že vzniká H2CO3 (= slabá kyselina, která snižuje pH), ale toto H2CO3 se už dále neštěpí na HCO3- + H+?
Předem moc děkuji za případné vysvětlení.
CO2 + CO3-- + H2O <=> 2HCO3-
Obecně K označuje rovnovážnou konstantu. Ta je skutečně závislá jen na teplotě. V sytému CO2-> HCO3- -> CO3-- jsou rovnovážné konstanty 2:
K1 = [HCO3-]*[H+]/([CO2]*[H2O]) pro rovnici CO2 + H2O <=> HCO3- + H+ a
K2 = [CO3--]*[H2O]/([HCO3-]*[OH-] pro rovnici HCO3- + OH- <=> CO3-- + H2O
Akvárium je složitý systém. Pokud jsou v něm živé rostliny a mají dostatek světla, je CO2 asimilován. Pokud bys přidávala tolik CO2, že by došlo k nasycení vody, rostliny by asi v období bez světla uhynuly, aspoň některé. pH by se snížilo na hodnotu okolo 4-5. Do hry ještě vstupuje dno. Pokud nejde o čistý křemenný písek a obsahuje alespoň něco CaCO3, podílí se na stabilizaci pH:
CaCO3 + HCO3- + H2O = Ca(HCO3)2 + OH-
c(H2CO3) = 1,14*10^-4 mol/dm3 při 5mg/dm3 a 9,09*10^-4mol/dm3 při 40mg/dm3.
log(c(H2CO3)) je -3,94 pro 5mg a -3,01 pro 40mg.
V čisté vodě by taková změna koncentrace CO2 způsobila pokles pH o 0,4. Je otázkou, jestli je taková změna běžnými přístroji zjistitelná. Kromě toho v akváriu nejde o čistou vodu, i inertní soli působí tlumivě, zejména pokud jde o soli vápníku a hořčíku.
CO2 + H2O <=> H2CO3 <=> H + HCO3 <=> 2H + CO3
Když přidám do vody CO2, vznikne H2CO3 (slabá kyselina). Co přesně ale sníží pH vody? Sníží ho ta kyselina (H2CO3) nebo H+ (které vznikne následnou disociací H2CO3 na H+ + HCO3-)? Pokud pH snižují ionty H+, musí přece vedle toho ve vodě vznikat také HCO3-, nebo ne? Nebo se to HCO3 na něco naváže a ve vodě zůstane pouze H+? Pořád tomu nějak nerozumím. Znamená to také to, že samotné HCO3 neovlivňuje přechodnou tvrdost? Tzn. pokud vznikne ve vodě HCO3 (ale nenaváže se např. na Ca nebo Mg), nezvýší se přechodná tvrdost? Mám stále dost nezodpovězených otázek a nedaří se mi na to najít uspokojivé odpovědi. Omlouvám se, pokud mi něco uniká.
Když tedy dodáváš CO2 do vody, vznikne roztok CO2 ve vodě. Část CO2 s vodou reaguje za vzniku H2CO3 a z ní malá část dál disociuje na HCO3- a H+. To, co jsem ti prve počítal (17:32) by platilo za předpokladu, že všechen CO2 vytvoří H2CO3, což není pravda. Ale je skutečností, že koncentrace H2CO3 je úměrná koncentraci rozpuštěného CO2. Nicméně ani relativně velké změny koncentrace CO2 nevyvolají významnou změnu pH v kyselé oblasti. Mezní pH je někde okolo 5. Pod touto hodnotou je koncentrace H+ tak vysoká, že téměř všechny ionty HCO3- zreagují s H+ a z roztoku ptakticky vymizí. Konec konců sycenou stolní vodu, ve které je daleko vyšší koncentrace CO2 než ve tvém akváriu, jako kyselou nevnímáš.
2) Ve výše uvedené rovnici jste se dostal k závěru, že po zvýšení koncentrace CO2 ve vodě o cca 30-40 mg/l by pH pokleslo o 0.4. To mi je divné, protože ve skutečnosti když se mi v důsledku přidávání CO2 do vody zvýší jeho koncentrace na cca 30-40 mg/l, tak mi pH poklesne o cca 1 stupeň (nikoli 0.4) - měřeno pH metrem.
CO2 + 2H2O = HCO3- + H3O+
Při pH nižším než 5 je možné CO2 z vody zcela odstranit. Existence H2CO3 byla prokázána jen za nízkých teplot.
Pokud se týká reálné změny pH, záleží na výchozí hodnotě pH, teplotě a obsahu dalších látek. Proto jsem zdůrazňoval, že jde o čistou vodu. V neposlední řadě i o způsob měření pH - vedle přesnosti pH-metru i typ použitých elektrod. A v neposlední řadě i o stanovení počátečního a konečného obsahu CO2.
Jestli tomu tedy správně rozumím, tak při přidávání CO2 do vody (při cílové koncentraci kolem 30-40 mg/l) se mi pouze jeho malá část disociuje na HCO3- a H3O+, přičemž díky zvýšení koncentrace H3O+ mi klesne pH (řekněme o 0.5 stupňů). Čemu ještě nerozumím, je, proč když zvýšení koncentrace H3O+ povede ke snížení pH (i když ne moc velkému), zvýšení koncentrace HCO3- bude naproti tomu natolik zanedbatelné, že nebude mít vliv na zvýšení alkality (resp. uhličitanové tvrdosti). Poslední nejasnost, kterou mám, se týká toho, že CO2 by měl být podle všeho ve vodě velmi dobře rozpustný ... i přesto se ale (pokud tomu dobře rozumím) rozpustí (resp. disociuje na HCO3 + H3O) ve vodě ve skutečnosti jen velmi malé množství. Znamená to, že zbylé CO2 zůstane ve vodě v molekulární podobě (nebo unikne z vody ven)?
Moc by mi pomohlo, pokud byste mi zkusil popsat, jak tedy celý proces ve skutečnosti probíhá. Např. "po přidání CO2 do vody jeho malá část (cca 1%) disociuje na HCO3- a H3O+. Zvýšení H3O+ povede ke snížení pH a zvýšení HCO3- zase ke zvýšení alkality (zanedbatelnému). Zbytek CO2 zůstane ve vodě v molekulární podobně (jako plynné CO2), případně unikne z vody do atmosféry ..."
PS: Ještě doplním, že měření poklesu pH v důsledku přidávání CO2 je myslím poměrně přesné, neboť řada akvaristů, které znám, k tomu používá velmi drahé profesionální přístroje (pH metry, pH regulátory apod.). Obvykle v důsledku přidávání CO2 do vody klesne pH +- o 1 stupeň.
PPS: Když se malá část CO2 disociuje na HCO3- a H+ (resp. H3O+), jak je možné, že množství HCO3- je natolik zanedbatelné, že nebude mít prakticky žádný vliv na celkovou alkalitu (uhličitanovou tvrdost), zatímco množství H+ (resp. H3O+) je natolik významné, že povede k poklesu pH o 1 stupeň?
Omlouvám se, že vás s tím pořád otravuju. Moc rád bych tomu ale porozuměl. Předem moc děkuji za trpělivost.
Pokud se týká ovlivnění pH přídavkem CO2, závisí rovnováha reakce
CO2 + H2O = HCO3- + H+ na koncentraci H+. Je-li H+ ve výchozím roztoku málo (= roztok je zásaditý), je rovnováha posunuta doprava a dojde k výraznějšímu posunu pH. Je-li roztok kyselý - pH asi 5, reakce nebude probíhat vůbec a k ovlivnění pH nedojde. Dosažitelná změna pH přídavkem CO2 tedy závisí na výchozím pH roztoku.