IChO 1992 · Theory problem 6
Carbon dioxide in the atmosphere and in water
The concentration of carbon dioxide in the atmosphere has increased substantially during this century and is predicted to continue to increase. The \([\ce{CO2}]\) is expected to be about 440 ppm (\(440\times10^{-6}\ \mathrm{atm}\)) in the year 2020.
6.1 Calculate the concentration (in \(\mathrm{mol\,dm^{-3}}\)) of \(\ce{CO2}\) dissolved in distilled water equilibrated with the atmosphere in the year 2020.
6.2 Calculate the \(pH\)-value of the solution in 6.1.
6.3 Calculate the enthalpy of reaction between \(\ce{CO2(aq)}\) and \(\ce{H2O}\).
6.4 If the temperature of an equilibrated solution of \(\ce{CO2}\) is increased and the concentration of dissolved carbon dioxide is maintained constant, the \(pH\) of the solution may change. Predict whether the \(pH\) will increase or decrease.
Data:
Henry's Law constant for \(\ce{CO2}\) at 298 K: \(0.0343\ \mathrm{dm^3\,mol^{-1}\,atm^{-1}}\)
Thermodynamic values, in kJ/mol at 298 K are:
| \(\Delta_{\mathrm f}G^0\) | \(\Delta_{\mathrm f}H^0\) | |
|---|---|---|
| \(\ce{CO2(aq)}\) | −386.2 | −412.9 |
| \(\ce{H2O(l)}\) | −237.2 | −285.8 |
| \(\ce{HCO3^-(aq)}\) | −587.1 | −691.2 |
| \(\ce{H+(aq)}\) | 0.00 | 0.00 |
Official English text of the problem.
Answers
- 6.1: \(\boxed{[\ce{CO2(aq)}]=1.51\times10^{-5}\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}}\) at 298 K.
- 6.2: \(\boxed{\mathrm{pH}=5.59}\).
- 6.3: \(\boxed{\Delta_{\mathrm r}H^\circ=+7.5\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}}\) for \(\ce{CO2(aq) + H2O(l) <=> H+(aq) + HCO3^-(aq)}\); the reaction is endothermic.
- 6.4: The \(\boxed{\mathrm{pH}\text{ decreases}}\).
Solution
The species involved are carbon dioxide, \(\ce{CO2}\), O=C=O; water, \(\ce{H2O}\), O; hydrogen carbonate (bicarbonate), \(\ce{HCO3^-}\), O=C(O)[O-]; and the hydrogen ion, \(\ce{H+}\), [H+]. In water, the hydrogen ion is solvated; its hydration is not represented by [H+].
6.1
The dissolution equilibrium is
\[ \ce{CO2(g) <=> CO2(aq)}. \]
Henry’s law gives
\[ [\ce{CO2(aq)}]=k_Hp_{\ce{CO2}}. \]
For this equation, the given numerical constant is interpreted as \(k_H=0.0343\ \mathrm{mol\,dm^{-3}\,atm^{-1}}\). Thus,
\[ \begin{aligned} [\ce{CO2(aq)}] &=(0.0343\ \mathrm{mol\,dm^{-3}\,atm^{-1}}) (440\times10^{-6}\ \mathrm{atm})\\ &=1.5092\times10^{-5}\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}\\ &\approx\boxed{1.51\times10^{-5}\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}}. \end{aligned} \]
This is the concentration of molecular dissolved carbon dioxide. Equilibration with the atmosphere maintains this concentration while some dissolved carbon dioxide reacts with water.
6.2
The supplied thermodynamic data describe the net acid dissociation:
\[ \ce{CO2(aq) + H2O(l) <=> H+(aq) + HCO3^-(aq)}. \]
Its standard Gibbs energy change is
\[ \begin{aligned} \Delta_{\mathrm r}G^\circ &=\sum \Delta_{\mathrm f}G^\circ(\text{products}) -\sum \Delta_{\mathrm f}G^\circ(\text{reactants})\\ &=[0.00+(-587.1)]-[(-386.2)+(-237.2)]\\ &=+36.3\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}. \end{aligned} \]
Using \(\Delta_{\mathrm r}G^\circ=-RT\ln K\), with \(R=8.314\ \mathrm{J\,mol^{-1}\,K^{-1}}\),
\[ K=\exp\!\left(-\frac{36.3\times10^3}{8.314\times298}\right) =4.33\times10^{-7}. \]
Taking the activity of water as unity and treating the solution as ideal,
\[ K\simeq \frac{[\ce{H+}][\ce{HCO3^-}]} {[\ce{CO2}]c^\circ}, \qquad c^\circ=1\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}. \]
Neglecting water’s autoionization and further dissociation of hydrogen carbonate, electroneutrality gives
\[ [\ce{H+}]\simeq[\ce{HCO3^-}]=x. \]
Therefore,
\[ \begin{aligned} x&=\sqrt{K[\ce{CO2}]c^\circ}\\ &=\sqrt{(4.33\times10^{-7}) (1.5092\times10^{-5}\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}) (1\ \mathrm{mol\,dm^{-3}})}\\ &=2.56\times10^{-6}\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}. \end{aligned} \]
Hence,
\[ \boxed{\mathrm{pH} =-\log_{10}\!\left(\frac{[\ce{H+}]}{c^\circ}\right) =5.59}. \]
6.3
For the same balanced reaction,
\[ \ce{CO2(aq) + H2O(l) <=> H+(aq) + HCO3^-(aq)}, \]
Hess’s law gives
\[ \begin{aligned} \Delta_{\mathrm r}H^\circ &=\sum\Delta_{\mathrm f}H^\circ(\text{products}) -\sum\Delta_{\mathrm f}H^\circ(\text{reactants})\\ &=[0.00+(-691.2)]-[(-412.9)+(-285.8)]\\ &=\boxed{+7.5\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}}. \end{aligned} \]
The formation of hydrogen ions and hydrogen carbonate from dissolved carbon dioxide and water is therefore endothermic.
6.4
The van ’t Hoff equation gives
\[ \frac{d\ln K}{dT} =\frac{\Delta_{\mathrm r}H^\circ}{RT^2}>0. \]
Thus, increasing temperature increases the equilibrium constant for the endothermic reaction. Since the dissolved carbon dioxide concentration is maintained constant,
\[ [\ce{H+}]\simeq\sqrt{K[\ce{CO2}]c^\circ} \]
increases as \(K\) increases. Consequently, the pH decreases.
The solution was checked against the official solution.
IChO 1992 · Theorieaufgabe 6
Kohlenstoffdioxid in der Atmosphäre und im Wasser
Die Konzentration von Kohlenstoffdioxid in der Atmosphäre ist im Laufe dieses Jahrhunderts erheblich gestiegen und wird voraussichtlich weiter zunehmen. Für das Jahr 2020 wird eine \([\ce{CO2}]\) von etwa 440 ppm (\(440\times10^{-6}\ \mathrm{atm}\)) erwartet.
6.1 Berechnen Sie die Konzentration (in \(\mathrm{mol\,dm^{-3}}\)) von \(\ce{CO2}\), das in destilliertem Wasser gelöst ist, welches sich im Jahr 2020 im Gleichgewicht mit der Atmosphäre befindet.
6.2 Berechnen Sie den \(pH\)-Wert der Lösung aus 6.1.
6.3 Berechnen Sie die Reaktionsenthalpie der Reaktion zwischen \(\ce{CO2(aq)}\) und \(\ce{H2O}\).
6.4 Wenn die Temperatur einer im Gleichgewicht befindlichen Lösung von \(\ce{CO2}\) erhöht und die Konzentration des gelösten Kohlenstoffdioxids konstant gehalten wird, kann sich der \(pH\) der Lösung ändern. Sagen Sie voraus, ob der \(pH\) steigt oder sinkt.
Daten:
Henry-Konstante für \(\ce{CO2}\) bei 298 K: \(0.0343\ \mathrm{dm^3\,mol^{-1}\,atm^{-1}}\)
Die thermodynamischen Werte in kJ/mol bei 298 K sind:
| \(\Delta_{\mathrm f}G^0\) | \(\Delta_{\mathrm f}H^0\) | |
|---|---|---|
| \(\ce{CO2(aq)}\) | −386.2 | −412.9 |
| \(\ce{H2O(l)}\) | −237.2 | −285.8 |
| \(\ce{HCO3^-(aq)}\) | −587.1 | −691.2 |
| \(\ce{H+(aq)}\) | 0.00 | 0.00 |
Aufgabentext aus dem offiziellen englischen Text übersetzt.
Antworten
- 6.1: \(\boxed{[\ce{CO2(aq)}]=1.51\times10^{-5}\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}}\) bei 298 K.
- 6.2: \(\boxed{\mathrm{pH}=5.59}\).
- 6.3: \(\boxed{\Delta_{\mathrm r}H^\circ=+7.5\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}}\) für \(\ce{CO2(aq) + H2O(l) <=> H+(aq) + HCO3^-(aq)}\); die Reaktion ist endotherm.
- 6.4: Der \(\boxed{\mathrm{pH}\text{ sinkt}}\).
Lösung
Die beteiligten Spezies sind Kohlenstoffdioxid, \(\ce{CO2}\), O=C=O; Wasser, \(\ce{H2O}\), O; Hydrogencarbonat (Bicarbonat), \(\ce{HCO3^-}\), O=C(O)[O-]; und das Wasserstoffion, \(\ce{H+}\), [H+]. In Wasser ist das Wasserstoffion solvatisiert; seine Hydratation wird durch [H+] nicht dargestellt.
6.1
Das Lösungsgleichgewicht lautet
\[ \ce{CO2(g) <=> CO2(aq)}. \]
Nach dem Henry-Gesetz gilt
\[ [\ce{CO2(aq)}]=k_Hp_{\ce{CO2}}. \]
Für diese Gleichung wird die angegebene numerische Konstante als \(k_H=0.0343\ \mathrm{mol\,dm^{-3}\,atm^{-1}}\) interpretiert. Somit gilt
\[ \begin{aligned} [\ce{CO2(aq)}] &=(0.0343\ \mathrm{mol\,dm^{-3}\,atm^{-1}}) (440\times10^{-6}\ \mathrm{atm})\\ &=1.5092\times10^{-5}\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}\\ &\approx\boxed{1.51\times10^{-5}\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}}. \end{aligned} \]
Dies ist die Konzentration des molekular gelösten Kohlenstoffdioxids. Durch die Gleichgewichtseinstellung mit der Atmosphäre bleibt diese Konzentration erhalten, während ein Teil des gelösten Kohlenstoffdioxids mit Wasser reagiert.
6.2
Die angegebenen thermodynamischen Daten beschreiben die Nettoreaktion der Säuredissoziation:
\[ \ce{CO2(aq) + H2O(l) <=> H+(aq) + HCO3^-(aq)}. \]
Ihre Änderung der Gibbs-Energie unter Standardbedingungen beträgt
\[ \begin{aligned} \Delta_{\mathrm r}G^\circ &=\sum \Delta_{\mathrm f}G^\circ(\text{Produkte}) -\sum \Delta_{\mathrm f}G^\circ(\text{Edukte})\\ &=[0.00+(-587.1)]-[(-386.2)+(-237.2)]\\ &=+36.3\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}. \end{aligned} \]
Mit \(\Delta_{\mathrm r}G^\circ=-RT\ln K\) und \(R=8.314\ \mathrm{J\,mol^{-1}\,K^{-1}}\) ergibt sich
\[ K=\exp\!\left(-\frac{36.3\times10^3}{8.314\times298}\right) =4.33\times10^{-7}. \]
Setzt man die Aktivität des Wassers gleich eins und behandelt die Lösung als ideal, so gilt
\[ K\simeq \frac{[\ce{H+}][\ce{HCO3^-}]} {[\ce{CO2}]c^\circ}, \qquad c^\circ=1\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}. \]
Unter Vernachlässigung der Autoprotolyse des Wassers und der weiteren Dissoziation von Hydrogencarbonat folgt aus der Elektroneutralität
\[ [\ce{H+}]\simeq[\ce{HCO3^-}]=x. \]
Daher gilt
\[ \begin{aligned} x&=\sqrt{K[\ce{CO2}]c^\circ}\\ &=\sqrt{(4.33\times10^{-7}) (1.5092\times10^{-5}\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}) (1\ \mathrm{mol\,dm^{-3}})}\\ &=2.56\times10^{-6}\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}. \end{aligned} \]
Somit ergibt sich
\[ \boxed{\mathrm{pH} =-\log_{10}\!\left(\frac{[\ce{H+}]}{c^\circ}\right) =5.59}. \]
6.3
Für dieselbe ausgeglichene Reaktion
\[ \ce{CO2(aq) + H2O(l) <=> H+(aq) + HCO3^-(aq)}, \]
ergibt sich nach dem Satz von Hess
\[ \begin{aligned} \Delta_{\mathrm r}H^\circ &=\sum\Delta_{\mathrm f}H^\circ(\text{Produkte}) -\sum\Delta_{\mathrm f}H^\circ(\text{Edukte})\\ &=[0.00+(-691.2)]-[(-412.9)+(-285.8)]\\ &=\boxed{+7.5\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}}. \end{aligned} \]
Die Bildung von Wasserstoffionen und Hydrogencarbonat aus gelöstem Kohlenstoffdioxid und Wasser ist daher endotherm.
6.4
Die van-’t-Hoff-Gleichung liefert
\[ \frac{d\ln K}{dT} =\frac{\Delta_{\mathrm r}H^\circ}{RT^2}>0. \]
Eine Temperaturerhöhung vergrößert somit die Gleichgewichtskonstante der endothermen Reaktion. Da die Konzentration des gelösten Kohlenstoffdioxids konstant gehalten wird, steigt
\[ [\ce{H+}]\simeq\sqrt{K[\ce{CO2}]c^\circ} \]
mit zunehmendem \(K\). Folglich sinkt der pH-Wert.
Die Lösung wurde mit der offiziellen Lösung abgeglichen.
IChO 1992 · Teori sorusu 6
Atmosferde ve suda karbondioksit
Atmosferdeki karbondioksit derişimi bu yüzyıl boyunca önemli ölçüde artmıştır ve artmaya devam edeceği öngörülmektedir. 2020 yılında \([\ce{CO2}]\) değerinin yaklaşık 440 ppm (\(440\times10^{-6}\ \mathrm{atm}\)) olması beklenmektedir.
6.1 2020 yılında atmosferle dengede bulunan damıtılmış suda çözünmüş \(\ce{CO2}\) derişimini (\(\mathrm{mol\,dm^{-3}}\) cinsinden) hesaplayınız.
6.2 6.1'deki çözeltinin \(pH\) değerini hesaplayınız.
6.3 \(\ce{CO2(aq)}\) ile \(\ce{H2O}\) arasındaki tepkimenin entalpisini hesaplayınız.
6.4 Dengeye ulaşmış bir \(\ce{CO2}\) çözeltisinin sıcaklığı artırılır ve çözünmüş karbondioksit derişimi sabit tutulursa çözeltinin \(pH\) değeri değişebilir. \(pH\) değerinin artacağını mı yoksa azalacağını mı öngördüğünüzü belirtiniz.
Veriler:
298 K'de \(\ce{CO2}\) için Henry yasası sabiti: \(0.0343\ \mathrm{dm^3\,mol^{-1}\,atm^{-1}}\)
298 K'de kJ/mol cinsinden termodinamik değerler şöyledir:
| \(\Delta_{\mathrm f}G^0\) | \(\Delta_{\mathrm f}H^0\) | |
|---|---|---|
| \(\ce{CO2(aq)}\) | −386.2 | −412.9 |
| \(\ce{H2O(l)}\) | −237.2 | −285.8 |
| \(\ce{HCO3^-(aq)}\) | −587.1 | −691.2 |
| \(\ce{H+(aq)}\) | 0.00 | 0.00 |
Soru metni resmi İngilizce metinden çevrilmiştir.
Cevaplar
- 6.1: 298 K'de \(\boxed{[\ce{CO2(aq)}]=1.51\times10^{-5}\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}}\).
- 6.2: \(\boxed{\mathrm{pH}=5.59}\).
- 6.3: \(\boxed{\Delta_{\mathrm r}H^\circ=+7.5\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}}\) değeri \(\ce{CO2(aq) + H2O(l) <=> H+(aq) + HCO3^-(aq)}\) tepkimesi içindir; tepkime endotermiktir.
- 6.4: \(\boxed{\mathrm{pH}\text{ azalır}}\).
Çözüm
Söz konusu türler karbondioksit, \(\ce{CO2}\), O=C=O; su, \(\ce{H2O}\), O; hidrojen karbonat (bikarbonat), \(\ce{HCO3^-}\), O=C(O)[O-]; ve hidrojen iyonu, \(\ce{H+}\), [H+] şeklindedir. Suda hidrojen iyonu solvatlanmış hâlde bulunur; hidratasyonu [H+] ile gösterilmez.
6.1
Çözünme dengesi şöyledir:
\[ \ce{CO2(g) <=> CO2(aq)}. \]
Henry yasası şu bağıntıyı verir:
\[ [\ce{CO2(aq)}]=k_Hp_{\ce{CO2}}. \]
Bu denklem için verilen sayısal sabit \(k_H=0.0343\ \mathrm{mol\,dm^{-3}\,atm^{-1}}\) olarak yorumlanır. Böylece,
\[ \begin{aligned} [\ce{CO2(aq)}] &=(0.0343\ \mathrm{mol\,dm^{-3}\,atm^{-1}}) (440\times10^{-6}\ \mathrm{atm})\\ &=1.5092\times10^{-5}\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}\\ &\approx\boxed{1.51\times10^{-5}\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}}. \end{aligned} \]
Bu, moleküler hâlde çözünmüş karbondioksitin derişimidir. Çözünmüş karbondioksitin bir kısmı suyla tepkimeye girerken atmosferle denge hâlinde bulunması bu derişimin korunmasını sağlar.
6.2
Verilen termodinamik veriler net asit ayrışmasını tanımlar:
\[ \ce{CO2(aq) + H2O(l) <=> H+(aq) + HCO3^-(aq)}. \]
Bu tepkimenin standart Gibbs enerjisi değişimi şöyledir:
\[ \begin{aligned} \Delta_{\mathrm r}G^\circ &=\sum \Delta_{\mathrm f}G^\circ(\text{ürünler}) -\sum \Delta_{\mathrm f}G^\circ(\text{girenler})\\ &=[0.00+(-587.1)]-[(-386.2)+(-237.2)]\\ &=+36.3\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}. \end{aligned} \]
\(\Delta_{\mathrm r}G^\circ=-RT\ln K\) bağıntısı, \(R=8.314\ \mathrm{J\,mol^{-1}\,K^{-1}}\) alınarak kullanıldığında,
\[ K=\exp\!\left(-\frac{36.3\times10^3}{8.314\times298}\right) =4.33\times10^{-7}. \]
Suyun aktivitesi bir alınır ve çözelti ideal kabul edilirse,
\[ K\simeq \frac{[\ce{H+}][\ce{HCO3^-}]} {[\ce{CO2}]c^\circ}, \qquad c^\circ=1\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}. \]
Suyun otoiyonlaşması ve hidrojen karbonatın daha ileri ayrışması ihmal edildiğinde, elektriksel nötrlük koşulu şu bağıntıyı verir:
\[ [\ce{H+}]\simeq[\ce{HCO3^-}]=x. \]
Dolayısıyla,
\[ \begin{aligned} x&=\sqrt{K[\ce{CO2}]c^\circ}\\ &=\sqrt{(4.33\times10^{-7}) (1.5092\times10^{-5}\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}) (1\ \mathrm{mol\,dm^{-3}})}\\ &=2.56\times10^{-6}\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}. \end{aligned} \]
Böylece,
\[ \boxed{\mathrm{pH} =-\log_{10}\!\left(\frac{[\ce{H+}]}{c^\circ}\right) =5.59}. \]
6.3
Aynı denkleştirilmiş tepkime için,
\[ \ce{CO2(aq) + H2O(l) <=> H+(aq) + HCO3^-(aq)}, \]
Hess yasası şu sonucu verir:
\[ \begin{aligned} \Delta_{\mathrm r}H^\circ &=\sum\Delta_{\mathrm f}H^\circ(\text{ürünler}) -\sum\Delta_{\mathrm f}H^\circ(\text{girenler})\\ &=[0.00+(-691.2)]-[(-412.9)+(-285.8)]\\ &=\boxed{+7.5\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}}. \end{aligned} \]
Dolayısıyla çözünmüş karbondioksit ve sudan hidrojen iyonları ile hidrojen karbonat oluşumu endotermiktir.
6.4
van ’t Hoff denklemi şu bağıntıyı verir:
\[ \frac{d\ln K}{dT} =\frac{\Delta_{\mathrm r}H^\circ}{RT^2}>0. \]
Buna göre sıcaklığın artırılması endotermik tepkimenin denge sabitini artırır. Çözünmüş karbondioksit derişimi sabit tutulduğundan,
\[ [\ce{H+}]\simeq\sqrt{K[\ce{CO2}]c^\circ} \]
değeri \(K\) arttıkça artar. Sonuç olarak pH azalır.
Çözüm, resmi çözümle karşılaştırılarak kontrol edildi.
IChO 1992 · Problema teórico 6
Dióxido de carbono en la atmósfera y en el agua
La concentración de dióxido de carbono en la atmósfera ha aumentado considerablemente durante este siglo y se prevé que siga aumentando. Se espera que la \([\ce{CO2}]\) sea de aproximadamente 440 ppm (\(440\times10^{-6}\ \mathrm{atm}\)) en el año 2020.
6.1 Calcule la concentración (en \(\mathrm{mol\,dm^{-3}}\)) de \(\ce{CO2}\) disuelto en agua destilada en equilibrio con la atmósfera en el año 2020.
6.2 Calcule el valor del \(pH\) de la disolución de 6.1.
6.3 Calcule la entalpía de reacción entre \(\ce{CO2(aq)}\) y \(\ce{H2O}\).
6.4 Si se aumenta la temperatura de una disolución de \(\ce{CO2}\) en equilibrio y se mantiene constante la concentración de dióxido de carbono disuelto, el \(pH\) de la disolución puede cambiar. Prediga si el \(pH\) aumentará o disminuirá.
Datos:
Constante de la ley de Henry para el \(\ce{CO2}\) a 298 K: \(0.0343\ \mathrm{dm^3\,mol^{-1}\,atm^{-1}}\)
Los valores termodinámicos, en kJ/mol a 298 K, son:
| \(\Delta_{\mathrm f}G^0\) | \(\Delta_{\mathrm f}H^0\) | |
|---|---|---|
| \(\ce{CO2(aq)}\) | −386.2 | −412.9 |
| \(\ce{H2O(l)}\) | −237.2 | −285.8 |
| \(\ce{HCO3^-(aq)}\) | −587.1 | −691.2 |
| \(\ce{H+(aq)}\) | 0.00 | 0.00 |
Enunciado traducido del texto oficial en inglés.
Respuestas
- 6.1: \(\boxed{[\ce{CO2(aq)}]=1.51\times10^{-5}\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}}\) a 298 K.
- 6.2: \(\boxed{\mathrm{pH}=5.59}\).
- 6.3: \(\boxed{\Delta_{\mathrm r}H^\circ=+7.5\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}}\) para \(\ce{CO2(aq) + H2O(l) <=> H+(aq) + HCO3^-(aq)}\); la reacción es endotérmica.
- 6.4: El \(\boxed{\mathrm{pH}\text{ disminuye}}\).
Solución
Las especies implicadas son el dióxido de carbono, \(\ce{CO2}\), O=C=O; el agua, \(\ce{H2O}\), O; el hidrogenocarbonato (bicarbonato), \(\ce{HCO3^-}\), O=C(O)[O-]; y el ion hidrógeno, \(\ce{H+}\), [H+]. En el agua, el ion hidrógeno está solvatado; su hidratación no está representada por [H+].
6.1
El equilibrio de disolución es
\[ \ce{CO2(g) <=> CO2(aq)}. \]
La ley de Henry da
\[ [\ce{CO2(aq)}]=k_Hp_{\ce{CO2}}. \]
Para esta ecuación, la constante numérica dada se interpreta como \(k_H=0.0343\ \mathrm{mol\,dm^{-3}\,atm^{-1}}\). Así,
\[ \begin{aligned} [\ce{CO2(aq)}] &=(0.0343\ \mathrm{mol\,dm^{-3}\,atm^{-1}}) (440\times10^{-6}\ \mathrm{atm})\\ &=1.5092\times10^{-5}\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}\\ &\approx\boxed{1.51\times10^{-5}\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}}. \end{aligned} \]
Esta es la concentración de dióxido de carbono molecular disuelto. El equilibrio con la atmósfera mantiene esta concentración mientras parte del dióxido de carbono disuelto reacciona con el agua.
6.2
Los datos termodinámicos proporcionados describen la disociación ácida neta:
\[ \ce{CO2(aq) + H2O(l) <=> H+(aq) + HCO3^-(aq)}. \]
Su variación de energía de Gibbs estándar es
\[ \begin{aligned} \Delta_{\mathrm r}G^\circ &=\sum \Delta_{\mathrm f}G^\circ(\text{productos}) -\sum \Delta_{\mathrm f}G^\circ(\text{reactivos})\\ &=[0.00+(-587.1)]-[(-386.2)+(-237.2)]\\ &=+36.3\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}. \end{aligned} \]
Utilizando \(\Delta_{\mathrm r}G^\circ=-RT\ln K\), con \(R=8.314\ \mathrm{J\,mol^{-1}\,K^{-1}}\),
\[ K=\exp\!\left(-\frac{36.3\times10^3}{8.314\times298}\right) =4.33\times10^{-7}. \]
Tomando la actividad del agua como la unidad y considerando ideal la disolución,
\[ K\simeq \frac{[\ce{H+}][\ce{HCO3^-}]} {[\ce{CO2}]c^\circ}, \qquad c^\circ=1\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}. \]
Despreciando la autoionización del agua y la disociación posterior del hidrogenocarbonato, la electroneutralidad da
\[ [\ce{H+}]\simeq[\ce{HCO3^-}]=x. \]
Por tanto,
\[ \begin{aligned} x&=\sqrt{K[\ce{CO2}]c^\circ}\\ &=\sqrt{(4.33\times10^{-7}) (1.5092\times10^{-5}\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}) (1\ \mathrm{mol\,dm^{-3}})}\\ &=2.56\times10^{-6}\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}. \end{aligned} \]
Así pues,
\[ \boxed{\mathrm{pH} =-\log_{10}\!\left(\frac{[\ce{H+}]}{c^\circ}\right) =5.59}. \]
6.3
Para la misma reacción ajustada,
\[ \ce{CO2(aq) + H2O(l) <=> H+(aq) + HCO3^-(aq)}, \]
la ley de Hess da
\[ \begin{aligned} \Delta_{\mathrm r}H^\circ &=\sum\Delta_{\mathrm f}H^\circ(\text{productos}) -\sum\Delta_{\mathrm f}H^\circ(\text{reactivos})\\ &=[0.00+(-691.2)]-[(-412.9)+(-285.8)]\\ &=\boxed{+7.5\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}}. \end{aligned} \]
La formación de iones hidrógeno e hidrogenocarbonato a partir de dióxido de carbono disuelto y agua es, por tanto, endotérmica.
6.4
La ecuación de van ’t Hoff da
\[ \frac{d\ln K}{dT} =\frac{\Delta_{\mathrm r}H^\circ}{RT^2}>0. \]
Así, el aumento de la temperatura incrementa la constante de equilibrio de la reacción endotérmica. Puesto que la concentración de dióxido de carbono disuelto se mantiene constante,
\[ [\ce{H+}]\simeq\sqrt{K[\ce{CO2}]c^\circ} \]
aumenta al aumentar \(K\). En consecuencia, el pH disminuye.
La solución se comprobó con la solución oficial.
IChO 1992 · 理论题 6
大气和水中的二氧化碳
本世纪以来,大气中二氧化碳的浓度已大幅增加,预计还将继续增加。预计到2020年,\([\ce{CO2}]\) 将约为440 ppm(\(440\times10^{-6}\ \mathrm{atm}\))。
6.1 计算2020年与大气达到平衡的蒸馏水中溶解的 \(\ce{CO2}\) 的浓度(以 \(\mathrm{mol\,dm^{-3}}\) 为单位)。
6.2 计算6.1中溶液的 \(pH\) 值。
6.3 计算 \(\ce{CO2(aq)}\) 与 \(\ce{H2O}\) 反应的反应焓。
6.4 如果升高已达到平衡的 \(\ce{CO2}\) 溶液的温度,同时保持溶解的二氧化碳浓度不变,溶液的 \(pH\) 可能发生变化。预测 \(pH\) 将升高还是降低。
数据:
298 K时 \(\ce{CO2}\) 的亨利定律常数:\(0.0343\ \mathrm{dm^3\,mol^{-1}\,atm^{-1}}\)
298 K时的热力学数据如下,单位为kJ/mol:
| \(\Delta_{\mathrm f}G^0\) | \(\Delta_{\mathrm f}H^0\) | |
|---|---|---|
| \(\ce{CO2(aq)}\) | −386.2 | −412.9 |
| \(\ce{H2O(l)}\) | −237.2 | −285.8 |
| \(\ce{HCO3^-(aq)}\) | −587.1 | −691.2 |
| \(\ce{H+(aq)}\) | 0.00 | 0.00 |
题目译自官方英文原文。
答案
- 6.1: \(\boxed{[\ce{CO2(aq)}]=1.51\times10^{-5}\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}}\)(298 K时)。
- 6.2: \(\boxed{\mathrm{pH}=5.59}\)。
- 6.3: \(\boxed{\Delta_{\mathrm r}H^\circ=+7.5\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}}\),对应的反应为 \(\ce{CO2(aq) + H2O(l) <=> H+(aq) + HCO3^-(aq)}\);该反应为吸热反应。
- 6.4: \(\boxed{\mathrm{pH}\text{ 降低}}\)。
解答
涉及的物种有二氧化碳,\(\ce{CO2}\),O=C=O;水,\(\ce{H2O}\),O;碳酸氢根(重碳酸根),\(\ce{HCO3^-}\),O=C(O)[O-];以及氢离子,\(\ce{H+}\),[H+]。在水中,氢离子处于溶剂化状态;[H+] 并未表示其水合情况。
6.1
溶解平衡为
\[ \ce{CO2(g) <=> CO2(aq)}. \]
由亨利定律可得
\[ [\ce{CO2(aq)}]=k_Hp_{\ce{CO2}}. \]
在此方程中,将所给常数的数值理解为 \(k_H=0.0343\ \mathrm{mol\,dm^{-3}\,atm^{-1}}\)。因此,
\[ \begin{aligned} [\ce{CO2(aq)}] &=(0.0343\ \mathrm{mol\,dm^{-3}\,atm^{-1}}) (440\times10^{-6}\ \mathrm{atm})\\ &=1.5092\times10^{-5}\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}\\ &\approx\boxed{1.51\times10^{-5}\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}}. \end{aligned} \]
这是以分子形式溶解的二氧化碳的浓度。当部分溶解的二氧化碳与水反应时,与大气保持平衡使这一浓度维持不变。
6.2
所给热力学数据描述的是酸解离的总反应:
\[ \ce{CO2(aq) + H2O(l) <=> H+(aq) + HCO3^-(aq)}. \]
其标准吉布斯能变为
\[ \begin{aligned} \Delta_{\mathrm r}G^\circ &=\sum \Delta_{\mathrm f}G^\circ(\text{产物}) -\sum \Delta_{\mathrm f}G^\circ(\text{反应物})\\ &=[0.00+(-587.1)]-[(-386.2)+(-237.2)]\\ &=+36.3\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}. \end{aligned} \]
利用 \(\Delta_{\mathrm r}G^\circ=-RT\ln K\),其中 \(R=8.314\ \mathrm{J\,mol^{-1}\,K^{-1}}\),
\[ K=\exp\!\left(-\frac{36.3\times10^3}{8.314\times298}\right) =4.33\times10^{-7}. \]
取水的活度为1,并将溶液视为理想溶液,
\[ K\simeq \frac{[\ce{H+}][\ce{HCO3^-}]} {[\ce{CO2}]c^\circ}, \qquad c^\circ=1\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}. \]
忽略水的自偶电离以及碳酸氢根的进一步解离,由电中性条件可得
\[ [\ce{H+}]\simeq[\ce{HCO3^-}]=x. \]
因此,
\[ \begin{aligned} x&=\sqrt{K[\ce{CO2}]c^\circ}\\ &=\sqrt{(4.33\times10^{-7}) (1.5092\times10^{-5}\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}) (1\ \mathrm{mol\,dm^{-3}})}\\ &=2.56\times10^{-6}\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}. \end{aligned} \]
故,
\[ \boxed{\mathrm{pH} =-\log_{10}\!\left(\frac{[\ce{H+}]}{c^\circ}\right) =5.59}. \]
6.3
对于同一配平反应,
\[ \ce{CO2(aq) + H2O(l) <=> H+(aq) + HCO3^-(aq)}, \]
由盖斯定律可得
\[ \begin{aligned} \Delta_{\mathrm r}H^\circ &=\sum\Delta_{\mathrm f}H^\circ(\text{产物}) -\sum\Delta_{\mathrm f}H^\circ(\text{反应物})\\ &=[0.00+(-691.2)]-[(-412.9)+(-285.8)]\\ &=\boxed{+7.5\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}}. \end{aligned} \]
因此,由溶解的二氧化碳与水生成氢离子和碳酸氢根的反应是吸热反应。
6.4
由范特霍夫方程可得
\[ \frac{d\ln K}{dT} =\frac{\Delta_{\mathrm r}H^\circ}{RT^2}>0. \]
因此,升高温度会使这一吸热反应的平衡常数增大。由于溶解的二氧化碳浓度保持不变,
\[ [\ce{H+}]\simeq\sqrt{K[\ce{CO2}]c^\circ} \]
随 \(K\) 的增大而增大。因此,pH降低。
解答已与官方解答核对。
IChO 1992 · Теоретическая задача 6
Диоксид углерода в атмосфере и в воде
Концентрация диоксида углерода в атмосфере существенно возросла в течение этого столетия и, согласно прогнозам, будет продолжать расти. Ожидается, что в 2020 году \([\ce{CO2}]\) составит около 440 ppm (\(440\times10^{-6}\ \mathrm{atm}\)).
6.1 Рассчитайте концентрацию (в \(\mathrm{mol\,dm^{-3}}\)) \(\ce{CO2}\), растворённого в дистиллированной воде, находящейся в равновесии с атмосферой в 2020 году.
6.2 Рассчитайте значение \(pH\) раствора из пункта 6.1.
6.3 Рассчитайте энтальпию реакции между \(\ce{CO2(aq)}\) и \(\ce{H2O}\).
6.4 Если повысить температуру равновесного раствора \(\ce{CO2}\), поддерживая постоянной концентрацию растворённого диоксида углерода, \(pH\) раствора может измениться. Предскажите, повысится или понизится \(pH\).
Данные:
Константа закона Генри для \(\ce{CO2}\) при 298 K: \(0.0343\ \mathrm{dm^3\,mol^{-1}\,atm^{-1}}\)
Термодинамические величины в кДж/моль при 298 K:
| \(\Delta_{\mathrm f}G^0\) | \(\Delta_{\mathrm f}H^0\) | |
|---|---|---|
| \(\ce{CO2(aq)}\) | −386.2 | −412.9 |
| \(\ce{H2O(l)}\) | −237.2 | −285.8 |
| \(\ce{HCO3^-(aq)}\) | −587.1 | −691.2 |
| \(\ce{H+(aq)}\) | 0.00 | 0.00 |
Условие переведено с официального английского текста.
Ответы
- 6.1: \(\boxed{[\ce{CO2(aq)}]=1.51\times10^{-5}\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}}\) при 298 K.
- 6.2: \(\boxed{\mathrm{pH}=5.59}\).
- 6.3: \(\boxed{\Delta_{\mathrm r}H^\circ=+7.5\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}}\) для \(\ce{CO2(aq) + H2O(l) <=> H+(aq) + HCO3^-(aq)}\); реакция эндотермическая.
- 6.4: \(\boxed{\mathrm{pH}\text{ понижается}}\).
Решение
Рассматриваемые химические частицы — диоксид углерода, \(\ce{CO2}\), O=C=O; вода, \(\ce{H2O}\), O; гидрокарбонат-ион (бикарбонат-ион), \(\ce{HCO3^-}\), O=C(O)[O-]; и ион водорода, \(\ce{H+}\), [H+]. В воде ион водорода сольватирован; его гидратация не отражена в записи [H+].
6.1
Равновесие растворения имеет вид
\[ \ce{CO2(g) <=> CO2(aq)}. \]
По закону Генри
\[ [\ce{CO2(aq)}]=k_Hp_{\ce{CO2}}. \]
Для этого уравнения приведённое числовое значение константы интерпретируется как \(k_H=0.0343\ \mathrm{mol\,dm^{-3}\,atm^{-1}}\). Таким образом,
\[ \begin{aligned} [\ce{CO2(aq)}] &=(0.0343\ \mathrm{mol\,dm^{-3}\,atm^{-1}}) (440\times10^{-6}\ \mathrm{atm})\\ &=1.5092\times10^{-5}\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}\\ &\approx\boxed{1.51\times10^{-5}\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}}. \end{aligned} \]
Это концентрация растворённого диоксида углерода в молекулярной форме. Равновесие с атмосферой поддерживает эту концентрацию, тогда как часть растворённого диоксида углерода реагирует с водой.
6.2
Приведённые термодинамические данные описывают суммарную реакцию кислотной диссоциации:
\[ \ce{CO2(aq) + H2O(l) <=> H+(aq) + HCO3^-(aq)}. \]
Стандартное изменение энергии Гиббса этой реакции равно
\[ \begin{aligned} \Delta_{\mathrm r}G^\circ &=\sum \Delta_{\mathrm f}G^\circ(\text{продукты}) -\sum \Delta_{\mathrm f}G^\circ(\text{реагенты})\\ &=[0.00+(-587.1)]-[(-386.2)+(-237.2)]\\ &=+36.3\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}. \end{aligned} \]
Используя \(\Delta_{\mathrm r}G^\circ=-RT\ln K\), где \(R=8.314\ \mathrm{J\,mol^{-1}\,K^{-1}}\), получаем
\[ K=\exp\!\left(-\frac{36.3\times10^3}{8.314\times298}\right) =4.33\times10^{-7}. \]
Принимая активность воды равной единице и считая раствор идеальным, получаем
\[ K\simeq \frac{[\ce{H+}][\ce{HCO3^-}]} {[\ce{CO2}]c^\circ}, \qquad c^\circ=1\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}. \]
Пренебрегая автоионизацией воды и дальнейшей диссоциацией гидрокарбонат-иона, из условия электронейтральности получаем
\[ [\ce{H+}]\simeq[\ce{HCO3^-}]=x. \]
Следовательно,
\[ \begin{aligned} x&=\sqrt{K[\ce{CO2}]c^\circ}\\ &=\sqrt{(4.33\times10^{-7}) (1.5092\times10^{-5}\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}) (1\ \mathrm{mol\,dm^{-3}})}\\ &=2.56\times10^{-6}\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}. \end{aligned} \]
Отсюда
\[ \boxed{\mathrm{pH} =-\log_{10}\!\left(\frac{[\ce{H+}]}{c^\circ}\right) =5.59}. \]
6.3
Для той же реакции с расставленными стехиометрическими коэффициентами,
\[ \ce{CO2(aq) + H2O(l) <=> H+(aq) + HCO3^-(aq)}, \]
по закону Гесса получаем
\[ \begin{aligned} \Delta_{\mathrm r}H^\circ &=\sum\Delta_{\mathrm f}H^\circ(\text{продукты}) -\sum\Delta_{\mathrm f}H^\circ(\text{реагенты})\\ &=[0.00+(-691.2)]-[(-412.9)+(-285.8)]\\ &=\boxed{+7.5\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}}. \end{aligned} \]
Таким образом, образование ионов водорода и гидрокарбонат-ионов из растворённого диоксида углерода и воды является эндотермическим процессом.
6.4
Уравнение Вант-Гоффа даёт
\[ \frac{d\ln K}{dT} =\frac{\Delta_{\mathrm r}H^\circ}{RT^2}>0. \]
Таким образом, повышение температуры увеличивает константу равновесия эндотермической реакции. Поскольку концентрация растворённого диоксида углерода поддерживается постоянной,
\[ [\ce{H+}]\simeq\sqrt{K[\ce{CO2}]c^\circ} \]
возрастает с увеличением \(K\). Следовательно, pH понижается.
Решение проверено по официальному решению.
IChO 1992 · مسألة نظرية 6
ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي وفي الماء
ازداد تركيز ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي ازديادًا ملحوظًا خلال هذا القرن، ومن المتوقع أن يستمر في الازدياد. ومن المتوقع أن يبلغ \([\ce{CO2}]\) نحو 440 جزءًا في المليون (\(440\times10^{-6}\ \mathrm{atm}\)) في عام 2020.
6.1 احسب تركيز \(\ce{CO2}\) (بوحدة \(\mathrm{mol\,dm^{-3}}\)) المذاب في ماء مقطر في حالة اتزان مع الغلاف الجوي في عام 2020.
6.2 احسب قيمة \(pH\) للمحلول في 6.1.
6.3 احسب إنثالبي التفاعل بين \(\ce{CO2(aq)}\) و\(\ce{H2O}\).
6.4 إذا رُفعت درجة حرارة محلول \(\ce{CO2}\) في حالة اتزان، مع الإبقاء على تركيز ثاني أكسيد الكربون المذاب ثابتًا، فقد تتغير قيمة \(pH\) للمحلول. توقّع ما إذا كانت قيمة \(pH\) ستزداد أم ستنخفض.
المعطيات:
ثابت قانون هنري لـ\(\ce{CO2}\) عند 298 K: \(0.0343\ \mathrm{dm^3\,mol^{-1}\,atm^{-1}}\)
القيم الديناميكية الحرارية، بوحدة kJ/mol عند 298 K، هي:
| \(\Delta_{\mathrm f}G^0\) | \(\Delta_{\mathrm f}H^0\) | |
|---|---|---|
| \(\ce{CO2(aq)}\) | −386.2 | −412.9 |
| \(\ce{H2O(l)}\) | −237.2 | −285.8 |
| \(\ce{HCO3^-(aq)}\) | −587.1 | −691.2 |
| \(\ce{H+(aq)}\) | 0.00 | 0.00 |
نص المسألة مترجم عن النص الإنجليزي الرسمي.
الإجابات
- 6.1: \(\boxed{[\ce{CO2(aq)}]=1.51\times10^{-5}\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}}\) عند 298 K.
- 6.2: \(\boxed{\mathrm{pH}=5.59}\).
- 6.3: \(\boxed{\Delta_{\mathrm r}H^\circ=+7.5\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}}\) للتفاعل \(\ce{CO2(aq) + H2O(l) <=> H+(aq) + HCO3^-(aq)}\)؛ والتفاعل ماص للحرارة.
- 6.4: \(\boxed{\mathrm{pH}\text{ تنخفض}}\).
الحل
الأنواع الكيميائية المعنية هي ثاني أكسيد الكربون، \(\ce{CO2}\)، O=C=O؛ والماء، \(\ce{H2O}\)، O؛ وهيدروجين الكربونات (البيكربونات)، \(\ce{HCO3^-}\)، O=C(O)[O-]؛ وأيون الهيدروجين، \(\ce{H+}\)، [H+]. في الماء، يكون أيون الهيدروجين محاطًا بجزيئات المذيب؛ ولا يمثّل [H+] إماهته.
6.1
اتزان الذوبان هو
\[ \ce{CO2(g) <=> CO2(aq)}. \]
يعطي قانون هنري
\[ [\ce{CO2(aq)}]=k_Hp_{\ce{CO2}}. \]
في هذه المعادلة، يُفسَّر الثابت العددي المعطى على أنه \(k_H=0.0343\ \mathrm{mol\,dm^{-3}\,atm^{-1}}\). ومن ثم،
\[ \begin{aligned} [\ce{CO2(aq)}] &=(0.0343\ \mathrm{mol\,dm^{-3}\,atm^{-1}}) (440\times10^{-6}\ \mathrm{atm})\\ &=1.5092\times10^{-5}\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}\\ &\approx\boxed{1.51\times10^{-5}\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}}. \end{aligned} \]
هذا هو تركيز ثاني أكسيد الكربون الجزيئي المذاب. ويحافظ الاتزان مع الغلاف الجوي على هذا التركيز، بينما يتفاعل بعض ثاني أكسيد الكربون المذاب مع الماء.
6.2
تصف المعطيات الديناميكية الحرارية المقدَّمة التفكك الحمضي الكلي:
\[ \ce{CO2(aq) + H2O(l) <=> H+(aq) + HCO3^-(aq)}. \]
التغير في طاقة غيبس القياسية لهذا التفاعل هو
\[ \begin{aligned} \Delta_{\mathrm r}G^\circ &=\sum \Delta_{\mathrm f}G^\circ(\text{النواتج}) -\sum \Delta_{\mathrm f}G^\circ(\text{المتفاعلات})\\ &=[0.00+(-587.1)]-[(-386.2)+(-237.2)]\\ &=+36.3\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}. \end{aligned} \]
باستخدام \(\Delta_{\mathrm r}G^\circ=-RT\ln K\)، حيث \(R=8.314\ \mathrm{J\,mol^{-1}\,K^{-1}}\)،
\[ K=\exp\!\left(-\frac{36.3\times10^3}{8.314\times298}\right) =4.33\times10^{-7}. \]
باعتبار فعالية الماء مساوية للواحد، والتعامل مع المحلول على أنه مثالي،
\[ K\simeq \frac{[\ce{H+}][\ce{HCO3^-}]} {[\ce{CO2}]c^\circ}, \qquad c^\circ=1\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}. \]
بإهمال التأين الذاتي للماء والتفكك الإضافي لهيدروجين الكربونات، يعطي شرط التعادل الكهربائي
\[ [\ce{H+}]\simeq[\ce{HCO3^-}]=x. \]
لذلك،
\[ \begin{aligned} x&=\sqrt{K[\ce{CO2}]c^\circ}\\ &=\sqrt{(4.33\times10^{-7}) (1.5092\times10^{-5}\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}) (1\ \mathrm{mol\,dm^{-3}})}\\ &=2.56\times10^{-6}\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}. \end{aligned} \]
ومن ثم،
\[ \boxed{\mathrm{pH} =-\log_{10}\!\left(\frac{[\ce{H+}]}{c^\circ}\right) =5.59}. \]
6.3
للتفاعل الموزون نفسه،
\[ \ce{CO2(aq) + H2O(l) <=> H+(aq) + HCO3^-(aq)}, \]
يعطي قانون هس
\[ \begin{aligned} \Delta_{\mathrm r}H^\circ &=\sum\Delta_{\mathrm f}H^\circ(\text{النواتج}) -\sum\Delta_{\mathrm f}H^\circ(\text{المتفاعلات})\\ &=[0.00+(-691.2)]-[(-412.9)+(-285.8)]\\ &=\boxed{+7.5\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}}. \end{aligned} \]
إذن، فإن تكوّن أيونات الهيدروجين وهيدروجين الكربونات من ثاني أكسيد الكربون المذاب والماء عملية ماصة للحرارة.
6.4
تعطي معادلة فان 'ت هوف
\[ \frac{d\ln K}{dT} =\frac{\Delta_{\mathrm r}H^\circ}{RT^2}>0. \]
وعليه، فإن رفع درجة الحرارة يزيد ثابت الاتزان للتفاعل الماص للحرارة. وبما أن تركيز ثاني أكسيد الكربون المذاب يُحافَظ عليه ثابتًا، فإن
\[ [\ce{H+}]\simeq\sqrt{K[\ce{CO2}]c^\circ} \]
يزداد بازدياد \(K\). وبالتالي، تنخفض قيمة pH.
تمت مراجعة الحل بمقارنته بالحل الرسمي.