Di John Brennan, aggiornato il 30 agosto 2022
In un sistema chimico, l’equilibrio viene raggiunto quando le reazioni dirette e inverse procedono a parità di velocità. La posizione di questo equilibrio è governata dalla termodinamica, in particolare dall'energia rilasciata e dalla variazione di entropia durante il processo. Ad una data temperatura e pressione, il rapporto tra reagenti e prodotti è fissato dalla costante di equilibrio. Quando la pressione parziale della CO₂ è nota, la costante di equilibrio può essere utilizzata per calcolare la concentrazione di bicarbonato, HCO₃⁻, in soluzione.
Tutte queste reazioni sono reversibili. Le costanti di equilibrio per ogni passaggio ci consentono di determinare le concentrazioni relative di CO₂, H₂CO₃, HCO₃⁻ e CO₃²⁻ all'equilibrio.
Supponendo che la temperatura ambiente (≈25°C) e la pressione atmosferica standard, in genere consideriamo il carbonato (CO₃²⁻) presente solo in tracce quando il pH della soluzione è ≤9. In queste condizioni, dominano la CO₂ disciolta, l’acido carbonico (H₂CO₃) e il bicarbonato (HCO₃⁻). In mezzi altamente alcalini (pH> 9), l'equilibrio si sposta verso bicarbonato e carbonato, con l'acido carbonico che diventa trascurabile.
Utilizzando la legge di Henry, la concentrazione di CO₂ disciolta è data da:
CO₂(aq) =(2,3×10⁻²molL⁻¹atm⁻¹)×P_CO₂
dove P_CO₂ è la pressione parziale della CO₂ nell'atmosfera.
L'acido carbonico si forma dalla CO₂ disciolta secondo la costante di equilibrio della prima reazione. Una relazione empirica è:
H₂CO₃ =(1,7×10⁻³molL⁻¹mol⁻¹L)×[CO₂(aq)]
Poiché H₂CO₃ è un acido debole, la sua dissociazione in H⁺ e HCO₃⁻ può essere approssimata utilizzando la costante di dissociazione dell'acido (K_a ≈ 4,3×10⁻⁷). Riorganizzando l'espressione per K_a si ottiene:
4,3×10⁻⁷ =[H⁺]² / [H₂CO₃]
Supponendo l'elettroneutralità, [H⁺] ≈ [HCO₃⁻] a questo intervallo di pH. Risolvendo per [HCO₃⁻] si ottiene la concentrazione di bicarbonato desiderata:
[HCO₃⁻] =√(4,3×10⁻⁷×[H₂CO₃])
All'equilibrio, il sistema bilancia le reazioni dirette e inverse, collegando la pressione parziale della CO₂, la CO₂ disciolta, l'acido carbonico e il bicarbonato. Applicando la legge di Henry e la costante di dissociazione acida, puoi calcolare la concentrazione di bicarbonato in una soluzione.
