IChO 2000 · Theory problem 6
Hard Water
In Denmark the subsoil consists mainly of limestone. In contact with ground water containing carbon dioxide some of the calcium carbonate dissolves as calcium hydrogen carbonate. As a result, such ground water is hard, and when used as tap water the high content of calcium hydrogen carbonate causes problems due to precipitation of calcium carbonate in, for example, kitchen and bathroom environments.
Carbon dioxide, \(\ce{CO2}\), is a diprotic acid in aqueous solution. The \(pK_a\)-values at \(0~^\circ\mathrm{C}\) are:

The liquid volume change associated with dissolution of \(\ce{CO2}\) may be neglected for all of the following problems. The temperature is to be taken as being \(0~^\circ\mathrm{C}\).
6.1 The total concentration of carbon dioxide in water which is saturated with carbon dioxide at a carbon dioxide partial pressure of \(1.00~\mathrm{bar}\) is \(0.0752~\mathrm{mol\,dm^{-3}}\). Calculate the volume of carbon dioxide gas which can be dissolved in one litre of water under these conditions.
The gas constant \[ R=8.314~\mathrm{J\,mol^{-1}\,K^{-1}} =0.08314~\mathrm{L\,bar\,mol^{-1}\,K^{-1}} \]
6.2 Calculate the equilibrium concentration of hydrogen ions and the equilibrium concentration of \(\ce{CO2}\) in water saturated with carbon dioxide at a carbon dioxide partial pressure of \(1.00~\mathrm{bar}\).
6.3 Calculate the equilibrium concentration of hydrogen ions in a \(0.0100~\mathrm{M}\) aqueous solution of sodium hydrogen carbonate saturated with carbon dioxide at a carbon dioxide partial pressure of \(1.00~\mathrm{bar}\).
6.4 Calculate the equilibrium concentration of hydrogen ions in a \(0.0100~\mathrm{M}\) aqueous solution of sodium carbonate saturated with carbon dioxide at a carbon dioxide partial pressure of \(1.00~\mathrm{bar}\). Ignore water dissociation effects.
6.5 The solubility of calcium carbonate in water at \(0~^\circ\mathrm{C}\) is \(0.0012~\mathrm{g}\) per \(100~\mathrm{cm^3}\) of water. Calculate the concentration of calcium ions in a saturated solution of calcium carbonate in water.
The hard groundwater in Denmark is formed via contact of water with limestone in the subsoil which reacts with carbon dioxide dissolved in the groundwater according to the equilibrium equation:

The equilibrium constant, \(K\), for this reaction is \(10^{-4.25}\) at \(0~^\circ\mathrm{C}\).
6.6 Calculate the concentration of calcium ions in water in equilibrium with calcium carbonate in an atmosphere with a partial pressure of carbon dioxide of \(1.00~\mathrm{bar}\).
6.7 A \(0.0150~\mathrm{M}\) solution of calcium hydroxide is saturated with carbon dioxide gas at a partial pressure of \(1.00~\mathrm{bar}\). Calculate the concentration of calcium ions in the solution by considering the equilibrium equation given above in connection with problem 6.6.
6.8 The calcium hydroxide solution referred to in problem 6.7 is diluted to twice the volume with water before saturation with carbon dioxide gas at a partial pressure of \(1.00~\mathrm{bar}\). Calculate the concentration of calcium ions in the resulting solution saturated with \(\ce{CO2}\).
6.9 Calculate the solubility product constant for calcium carbonate from the data given above.
Official English text of the problem.
Answers
Here, \(\mathrm{M}=\mathrm{mol\,dm^{-3}}\).
- 6.1: \(V=1.71~\mathrm{L}\) of carbon dioxide gas at \(0~^\circ\mathrm{C}\) and \(1.00~\mathrm{bar}\).
- 6.2: \([\ce{H+}]=1.33\times10^{-4}~\mathrm{M}\); \([\ce{CO2(aq)}]=0.0751~\mathrm{M}\).
- 6.3: \([\ce{H+}]=1.76\times10^{-6}~\mathrm{M}\).
- 6.4: \([\ce{H+}]=8.80\times10^{-7}~\mathrm{M}\).
- 6.5: \([\ce{Ca^2+}]=1.2\times10^{-4}~\mathrm{M}\).
- 6.6: \([\ce{Ca^2+}]=1.02\times10^{-2}~\mathrm{M}\).
- 6.7: \([\ce{Ca^2+}]=1.02\times10^{-2}~\mathrm{M}\); some calcium carbonate precipitates.
- 6.8: \([\ce{Ca^2+}]=7.50\times10^{-3}~\mathrm{M}\); all the calcium remains dissolved at final equilibrium.
- 6.9: \(K_{\mathrm{sp}}=10^{-8.26}\approx5.5\times10^{-9}\), using the \(1~\mathrm{M}\) standard state.
Solution
The species and their SMILES are listed below. Dot-separated salt SMILES describe ionic composition; they do not encode crystal lattices or aqueous solvation.
| Species | SMILES |
|---|---|
| Carbon dioxide, \(\ce{CO2}\) | O=C=O |
| Water, \(\ce{H2O}\) | O |
| Hydrogen ion, \(\ce{H+}\) | [H+] |
| Hydrogen carbonate ion, \(\ce{HCO3-}\) | O=C([O-])O |
| Carbonate ion, \(\ce{CO3^2-}\) | O=C([O-])[O-] |
| Hydroxide ion, \(\ce{OH-}\) | [OH-] |
| Sodium ion, \(\ce{Na+}\) | [Na+] |
| Calcium ion, \(\ce{Ca^2+}\) | [Ca+2] |
| Sodium hydrogen carbonate, \(\ce{NaHCO3}\) | [Na+].O=C([O-])O |
| Sodium carbonate, \(\ce{Na2CO3}\) | [Na+].[Na+].O=C([O-])[O-] |
| Calcium carbonate, \(\ce{CaCO3}\) | [Ca+2].O=C([O-])[O-] |
| Calcium hydroxide, \(\ce{Ca(OH)2}\) | [Ca+2].[OH-].[OH-] |
| Calcium hydrogen carbonate, \(\ce{Ca(HCO3)2}\) | [Ca+2].O=C([O-])O.O=C([O-])O |
We use the concentration approximation for dissolved species and unit activities for pure liquid water and solid calcium carbonate. Standard-state concentration factors are suppressed in the equilibrium expressions.
6.1
The amount of carbon dioxide absorbed by one litre of water is \[ n=(0.0752~\mathrm{mol\,L^{-1}})(1.00~\mathrm{L}) =0.0752~\mathrm{mol}. \]
Using the ideal-gas equation at \(T=273.15~\mathrm{K}\), \[ V=\frac{nRT}{p} =\frac{(0.0752)(0.08314)(273.15)}{1.00}~\mathrm{L} =1.70777~\mathrm{L}. \]
Thus, \[ \boxed{V=1.71~\mathrm{L}}. \]
6.2
The two acid equilibria are \[ \ce{CO2(aq) + H2O(l) <=> HCO3-(aq) + H+(aq)}, \qquad K_{a1}=10^{-6.630}=2.344\times10^{-7}, \] \[ \ce{HCO3-(aq) <=> CO3^2-(aq) + H+(aq)}, \qquad K_{a2}=10^{-10.640}=2.291\times10^{-11}. \]
Define \[ h=[\ce{H+}],\qquad c=[\ce{CO2(aq)}],\qquad b=[\ce{HCO3-}],\qquad d=[\ce{CO3^2-}]. \]
Then \[ K_{a1}=\frac{hb}{c}, \qquad K_{a2}=\frac{hd}{b}. \]
The total dissolved carbon concentration is \[ C_T=c+b+d=0.0752~\mathrm{M}. \]
Water ionization and the second dissociation are negligible in this acidic solution. Consequently, charge balance gives \(b\simeq h\), while carbon balance gives \(c\simeq C_T-h\). Therefore, \[ K_{a1}=\frac{h^2}{C_T-h}, \] and \[ h=\frac{-K_{a1}+\sqrt{K_{a1}^2+4K_{a1}C_T}}{2} =1.32656\times10^{-4}~\mathrm{M}. \]
Hence \[ c=0.0752-0.000132656 =0.0750673~\mathrm{M}. \]
The neglected carbonate fraction is indeed tiny: \[ \frac{d}{b}=\frac{K_{a2}}{h}=1.73\times10^{-7}. \]
Thus, \[ \boxed{[\ce{H+}]=1.33\times10^{-4}~\mathrm{M}}, \qquad \boxed{[\ce{CO2(aq)}]=0.0751~\mathrm{M}}. \]
At fixed temperature and carbon dioxide partial pressure, Henry’s law fixes the concentration of molecular \(\ce{CO2(aq)}\). We therefore use \(c=0.0750673~\mathrm{M}\) in the subsequent solutions saturated with carbon dioxide at \(1.00~\mathrm{bar}\). Their total dissolved carbon concentrations can differ.
6.3
Sodium hydrogen carbonate dissociates: \[ \ce{NaHCO3(aq) -> Na+(aq) + HCO3-(aq)}. \]
Thus \([\ce{Na+}]=0.0100~\mathrm{M}\). Neglecting water ionization, charge balance is \[ 0.0100+h=b+2d. \]
Since \(h\) and \(d\) are small compared with \(0.0100~\mathrm{M}\), \[ b\simeq0.0100~\mathrm{M}. \]
The first acid equilibrium gives \[ h=\frac{K_{a1}c}{b} \simeq\frac{(2.34423\times10^{-7})(0.0750673)}{0.0100}. \]
Therefore, \[ \boxed{[\ce{H+}]=1.76\times10^{-6}~\mathrm{M}}. \]
This gives \(d=K_{a2}b/h\simeq1.30\times10^{-7}~\mathrm{M}\), confirming that both correction terms in the charge balance are small.
6.4
Sodium carbonate supplies two sodium ions per formula unit: \[ \ce{Na2CO3(aq) -> 2Na+(aq) + CO3^2-(aq)}. \]
Carbonate reacts with dissolved carbon dioxide: \[ \ce{CO3^2-(aq) + CO2(aq) + H2O(l) <=> 2HCO3-(aq)}. \]
The equilibrium constant for this conversion is \[ \frac{K_{a1}}{K_{a2}}=10^{4.010}, \] so hydrogen carbonate predominates under the specified conditions.
Here \([\ce{Na+}]=0.0200~\mathrm{M}\). Ignoring water dissociation as instructed, \[ 0.0200+h=b+2d, \] giving \(b\simeq0.0200~\mathrm{M}\).
Thus, \[ h\simeq\frac{K_{a1}c}{0.0200} =\frac{(2.34423\times10^{-7})(0.0750673)}{0.0200}, \] and \[ \boxed{[\ce{H+}]=8.80\times10^{-7}~\mathrm{M}}. \]
The resulting carbonate concentration is approximately \(5.21\times10^{-7}~\mathrm{M}\), sufficiently small to validate the approximation.
6.5
Calcium carbonate dissolves according to \[ \ce{CaCO3(s) <=> Ca^2+(aq) + CO3^2-(aq)}. \]
Each mole dissolved supplies one mole of calcium ions. Using \(M(\ce{CaCO3})\simeq100.1~\mathrm{g\,mol^{-1}}\) and \(100~\mathrm{cm^3}=0.100~\mathrm{dm^3}\), \[ [\ce{Ca^2+}] =\frac{0.0012~\mathrm{g}} {(100.1~\mathrm{g\,mol^{-1}})(0.100~\mathrm{dm^3})}. \]
Therefore, \[ \boxed{[\ce{Ca^2+}]=1.2\times10^{-4}~\mathrm{mol\,dm^{-3}}}. \]
Acid–base redistribution of dissolved carbonate does not change this calcium balance.
6.6
The given equilibrium is \[ \ce{CaCO3(s) + CO2(aq) + H2O(l) <=> Ca^2+(aq) + 2HCO3-(aq)}, \] with \[ K=\frac{[\ce{Ca^2+}]b^2}{c}=10^{-4.25}. \]
Let \(s=[\ce{Ca^2+}]\). Charge balance gives \[ 2s+h=b+2d. \]
Hydrogen carbonate is the predominant anion, so \(b\simeq2s\). Consequently, \[ K\simeq\frac{s(2s)^2}{c}=\frac{4s^3}{c}, \] and \[ s=\left(\frac{Kc}{4}\right)^{1/3} =\left(\frac{10^{-4.25}(0.0750673)}{4}\right)^{1/3} =0.0101812~\mathrm{M}. \]
Thus, \[ \boxed{[\ce{Ca^2+}]=1.02\times10^{-2}~\mathrm{M}}. \]
The corresponding hydrogen-ion concentration is about \(8.64\times10^{-7}~\mathrm{M}\), and carbonate is also negligible compared with \(b\simeq0.0204~\mathrm{M}\).
6.7
Absorbed carbon dioxide neutralizes hydroxide, giving the overall conversion \[ \ce{Ca(OH)2(aq) + 2CO2(aq) -> Ca^2+(aq) + 2HCO3-(aq)}. \]
If all the initial calcium remained dissolved, then approximately \[ [\ce{Ca^2+}]=0.0150~\mathrm{M}, \qquad b=0.0300~\mathrm{M}. \]
The reaction quotient for the equilibrium in 6.6 would be \[ Q=\frac{(0.0150)(0.0300)^2}{0.0750673} =1.80\times10^{-4}. \]
Since \[ Q>K=5.62\times10^{-5}, \] the equilibrium shifts toward solid calcium carbonate. Some calcium precipitates, and the remaining solution reaches the saturation concentration calculated in 6.6: \[ \boxed{[\ce{Ca^2+}]=1.02\times10^{-2}~\mathrm{M}}. \]
Approximately \(0.0150-0.01018=0.0048~\mathrm{mol}\) of calcium carbonate precipitates per litre, confirming that a solid phase remains.
6.8
Dilution to twice the volume reduces the total calcium concentration to \[ C_{\mathrm{Ca,tot}}=\frac{0.0150}{2} =0.00750~\mathrm{M}. \]
If all this calcium is dissolved, \(b\simeq0.0150~\mathrm{M}\), and \[ Q=\frac{(0.00750)(0.0150)^2}{0.0750673} =2.25\times10^{-5}<K. \]
The final solution is therefore undersaturated with respect to calcium carbonate. Any calcium carbonate formed during addition of the gas can dissolve completely before the final equilibrium is reached.
All available calcium remains in solution: \[ \boxed{[\ce{Ca^2+}]=7.50\times10^{-3}~\mathrm{M}}. \]
6.9
Combine the following equilibria: \[ \begin{aligned} \ce{CaCO3(s) &<=> Ca^2+(aq) + CO3^2-(aq)} && K_{\mathrm{sp}},\\ \ce{CO2(aq) + H2O(l) &<=> HCO3-(aq) + H+(aq)} && K_{a1},\\ \ce{CO3^2-(aq) + H+(aq) &<=> HCO3-(aq)} && \frac{1}{K_{a2}}. \end{aligned} \]
Their sum is the reaction given before 6.6. Therefore, \[ K=K_{\mathrm{sp}}\frac{K_{a1}}{K_{a2}}, \] so \[ K_{\mathrm{sp}} =K\frac{K_{a2}}{K_{a1}} =10^{-4.25}\frac{10^{-10.640}}{10^{-6.630}} =10^{-8.260}. \]
Thus, \[ \boxed{K_{\mathrm{sp}}\approx5.5\times10^{-9}}. \]
Under the concentration approximation, the corresponding saturation product is \[ [\ce{Ca^2+}][\ce{CO3^2-}] =5.5\times10^{-9}~\mathrm{mol^2\,dm^{-6}}. \]
Carbonate hydrolysis, \[ \ce{CO3^2-(aq) + H2O(l) <=> HCO3-(aq) + OH-(aq)}, \] makes the free carbonate concentration smaller than the total molar solubility in 6.5. Consequently, that solubility cannot simply be squared to obtain \(K_{\mathrm{sp}}\).
The solution was checked against the official solution.
IChO 2000 · Theorieaufgabe 6
Hartes Wasser
In Dänemark besteht der Untergrund hauptsächlich aus Kalkstein. Bei Kontakt mit kohlenstoffdioxidhaltigem Grundwasser löst sich ein Teil des Calciumcarbonats als Calciumhydrogencarbonat. Dadurch ist solches Grundwasser hart, und bei seiner Verwendung als Leitungswasser verursacht der hohe Gehalt an Calciumhydrogencarbonat Probleme durch die Ausfällung von Calciumcarbonat, beispielsweise in Küche und Bad.
Kohlenstoffdioxid, \(\ce{CO2}\), ist in wässriger Lösung eine zweiprotonige Säure. Die \(pK_a\)-Werte bei \(0~^\circ\mathrm{C}\) sind:

Die mit dem Lösen von \(\ce{CO2}\) verbundene Änderung des Flüssigkeitsvolumens darf bei allen folgenden Aufgaben vernachlässigt werden. Die Temperatur ist mit \(0~^\circ\mathrm{C}\) anzusetzen.
6.1 Die Gesamtkonzentration von Kohlenstoffdioxid in Wasser, das bei einem Kohlenstoffdioxidpartialdruck von \(1.00~\mathrm{bar}\) mit Kohlenstoffdioxid gesättigt ist, beträgt \(0.0752~\mathrm{mol\,dm^{-3}}\). Berechnen Sie das Volumen an gasförmigem Kohlenstoffdioxid, das unter diesen Bedingungen in einem Liter Wasser gelöst werden kann.
Die Gaskonstante ist \[ R=8.314~\mathrm{J\,mol^{-1}\,K^{-1}} =0.08314~\mathrm{L\,bar\,mol^{-1}\,K^{-1}} \]
6.2 Berechnen Sie die Gleichgewichtskonzentration der Wasserstoffionen und die Gleichgewichtskonzentration von \(\ce{CO2}\) in Wasser, das bei einem Kohlenstoffdioxidpartialdruck von \(1.00~\mathrm{bar}\) mit Kohlenstoffdioxid gesättigt ist.
6.3 Berechnen Sie die Gleichgewichtskonzentration der Wasserstoffionen in einer \(0.0100~\mathrm{M}\) wässrigen Natriumhydrogencarbonatlösung, die bei einem Kohlenstoffdioxidpartialdruck von \(1.00~\mathrm{bar}\) mit Kohlenstoffdioxid gesättigt ist.
6.4 Berechnen Sie die Gleichgewichtskonzentration der Wasserstoffionen in einer \(0.0100~\mathrm{M}\) wässrigen Natriumcarbonatlösung, die bei einem Kohlenstoffdioxidpartialdruck von \(1.00~\mathrm{bar}\) mit Kohlenstoffdioxid gesättigt ist. Vernachlässigen Sie die Auswirkungen der Dissoziation des Wassers.
6.5 Die Löslichkeit von Calciumcarbonat in Wasser bei \(0~^\circ\mathrm{C}\) beträgt \(0.0012~\mathrm{g}\) pro \(100~\mathrm{cm^3}\) Wasser. Berechnen Sie die Konzentration der Calciumionen in einer gesättigten Lösung von Calciumcarbonat in Wasser.
Das harte Grundwasser in Dänemark entsteht durch den Kontakt von Wasser mit Kalkstein im Untergrund, der mit dem im Grundwasser gelösten Kohlenstoffdioxid gemäß folgender Gleichgewichtsgleichung reagiert:

Die Gleichgewichtskonstante \(K\) dieser Reaktion beträgt bei \(0~^\circ\mathrm{C}\) \(10^{-4.25}\).
6.6 Berechnen Sie die Konzentration der Calciumionen in Wasser, das in einer Atmosphäre mit einem Kohlenstoffdioxidpartialdruck von \(1.00~\mathrm{bar}\) mit Calciumcarbonat im Gleichgewicht steht.
6.7 Eine \(0.0150~\mathrm{M}\) Calciumhydroxidlösung wird bei einem Partialdruck von \(1.00~\mathrm{bar}\) mit gasförmigem Kohlenstoffdioxid gesättigt. Berechnen Sie die Konzentration der Calciumionen in der Lösung unter Berücksichtigung der oben im Zusammenhang mit Aufgabe 6.6 angegebenen Gleichgewichtsgleichung.
6.8 Die in Aufgabe 6.7 genannte Calciumhydroxidlösung wird vor der Sättigung mit gasförmigem Kohlenstoffdioxid bei einem Partialdruck von \(1.00~\mathrm{bar}\) mit Wasser auf das doppelte Volumen verdünnt. Berechnen Sie die Konzentration der Calciumionen in der entstehenden, mit \(\ce{CO2}\) gesättigten Lösung.
6.9 Berechnen Sie die Löslichkeitsproduktkonstante von Calciumcarbonat aus den oben angegebenen Daten.
Aufgabentext aus dem offiziellen englischen Text übersetzt.
Antworten
Hier gilt \(\mathrm{M}=\mathrm{mol\,dm^{-3}}\).
- 6.1: \(V=1.71~\mathrm{L}\) gasförmiges Kohlenstoffdioxid bei \(0~^\circ\mathrm{C}\) und \(1.00~\mathrm{bar}\).
- 6.2: \([\ce{H+}]=1.33\times10^{-4}~\mathrm{M}\); \([\ce{CO2(aq)}]=0.0751~\mathrm{M}\).
- 6.3: \([\ce{H+}]=1.76\times10^{-6}~\mathrm{M}\).
- 6.4: \([\ce{H+}]=8.80\times10^{-7}~\mathrm{M}\).
- 6.5: \([\ce{Ca^2+}]=1.2\times10^{-4}~\mathrm{M}\).
- 6.6: \([\ce{Ca^2+}]=1.02\times10^{-2}~\mathrm{M}\).
- 6.7: \([\ce{Ca^2+}]=1.02\times10^{-2}~\mathrm{M}\); ein Teil des Calciumcarbonats fällt aus.
- 6.8: \([\ce{Ca^2+}]=7.50\times10^{-3}~\mathrm{M}\); im Endgleichgewicht bleibt das gesamte Calcium gelöst.
- 6.9: \(K_{\mathrm{sp}}=10^{-8.26}\approx5.5\times10^{-9}\), unter Verwendung des Standardzustands von \(1~\mathrm{M}\).
Lösung
Die Spezies und ihre SMILES sind nachfolgend aufgeführt. Durch Punkte getrennte Salz-SMILES beschreiben die Ionenzusammensetzung; sie codieren weder Kristallgitter noch die Solvatation in Wasser.
| Spezies | SMILES |
|---|---|
| Kohlenstoffdioxid, \(\ce{CO2}\) | O=C=O |
| Wasser, \(\ce{H2O}\) | O |
| Wasserstoffion, \(\ce{H+}\) | [H+] |
| Hydrogencarbonation, \(\ce{HCO3-}\) | O=C([O-])O |
| Carbonation, \(\ce{CO3^2-}\) | O=C([O-])[O-] |
| Hydroxidion, \(\ce{OH-}\) | [OH-] |
| Natriumion, \(\ce{Na+}\) | [Na+] |
| Calciumion, \(\ce{Ca^2+}\) | [Ca+2] |
| Natriumhydrogencarbonat, \(\ce{NaHCO3}\) | [Na+].O=C([O-])O |
| Natriumcarbonat, \(\ce{Na2CO3}\) | [Na+].[Na+].O=C([O-])[O-] |
| Calciumcarbonat, \(\ce{CaCO3}\) | [Ca+2].O=C([O-])[O-] |
| Calciumhydroxid, \(\ce{Ca(OH)2}\) | [Ca+2].[OH-].[OH-] |
| Calciumhydrogencarbonat, \(\ce{Ca(HCO3)2}\) | [Ca+2].O=C([O-])O.O=C([O-])O |
Wir verwenden für gelöste Spezies die Konzentrationsnäherung und setzen die Aktivitäten von reinem flüssigem Wasser und festem Calciumcarbonat gleich eins. Die Konzentrationsfaktoren des Standardzustands werden in den Gleichgewichtsausdrücken weggelassen.
6.1
Die von einem Liter Wasser aufgenommene Stoffmenge an Kohlenstoffdioxid beträgt \[ n=(0.0752~\mathrm{mol\,L^{-1}})(1.00~\mathrm{L}) =0.0752~\mathrm{mol}. \]
Mit der idealen Gasgleichung bei \(T=273.15~\mathrm{K}\) ergibt sich \[ V=\frac{nRT}{p} =\frac{(0.0752)(0.08314)(273.15)}{1.00}~\mathrm{L} =1.70777~\mathrm{L}. \]
Somit gilt \[ \boxed{V=1.71~\mathrm{L}}. \]
6.2
Die beiden Säuregleichgewichte lauten \[ \ce{CO2(aq) + H2O(l) <=> HCO3-(aq) + H+(aq)}, \qquad K_{a1}=10^{-6.630}=2.344\times10^{-7}, \] \[ \ce{HCO3-(aq) <=> CO3^2-(aq) + H+(aq)}, \qquad K_{a2}=10^{-10.640}=2.291\times10^{-11}. \]
Wir definieren \[ h=[\ce{H+}],\qquad c=[\ce{CO2(aq)}],\qquad b=[\ce{HCO3-}],\qquad d=[\ce{CO3^2-}]. \]
Dann gilt \[ K_{a1}=\frac{hb}{c}, \qquad K_{a2}=\frac{hd}{b}. \]
Die Gesamtkonzentration des gelösten Kohlenstoffs beträgt \[ C_T=c+b+d=0.0752~\mathrm{M}. \]
Die Autoprotolyse des Wassers und die zweite Dissoziationsstufe sind in dieser sauren Lösung vernachlässigbar. Folglich liefert die Ladungsbilanz \(b\simeq h\), während die Kohlenstoffbilanz \(c\simeq C_T-h\) ergibt. Daher gilt \[ K_{a1}=\frac{h^2}{C_T-h}, \] und \[ h=\frac{-K_{a1}+\sqrt{K_{a1}^2+4K_{a1}C_T}}{2} =1.32656\times10^{-4}~\mathrm{M}. \]
Daraus folgt \[ c=0.0752-0.000132656 =0.0750673~\mathrm{M}. \]
Der vernachlässigte Carbonatanteil ist tatsächlich äußerst klein: \[ \frac{d}{b}=\frac{K_{a2}}{h}=1.73\times10^{-7}. \]
Somit gilt \[ \boxed{[\ce{H+}]=1.33\times10^{-4}~\mathrm{M}}, \qquad \boxed{[\ce{CO2(aq)}]=0.0751~\mathrm{M}}. \]
Bei konstanter Temperatur und konstantem Kohlenstoffdioxidpartialdruck legt das Henry-Gesetz die Konzentration des molekularen \(\ce{CO2(aq)}\) fest. Daher verwenden wir \(c=0.0750673~\mathrm{M}\) in den folgenden Lösungen, die bei \(1.00~\mathrm{bar}\) mit Kohlenstoffdioxid gesättigt sind. Ihre Gesamtkonzentrationen an gelöstem Kohlenstoff können unterschiedlich sein.
6.3
Natriumhydrogencarbonat dissoziiert: \[ \ce{NaHCO3(aq) -> Na+(aq) + HCO3-(aq)}. \]
Somit ist \([\ce{Na+}]=0.0100~\mathrm{M}\). Unter Vernachlässigung der Autoprotolyse des Wassers lautet die Ladungsbilanz \[ 0.0100+h=b+2d. \]
Da \(h\) und \(d\) im Vergleich zu \(0.0100~\mathrm{M}\) klein sind, gilt \[ b\simeq0.0100~\mathrm{M}. \]
Das erste Säuregleichgewicht liefert \[ h=\frac{K_{a1}c}{b} \simeq\frac{(2.34423\times10^{-7})(0.0750673)}{0.0100}. \]
Daher gilt \[ \boxed{[\ce{H+}]=1.76\times10^{-6}~\mathrm{M}}. \]
Daraus ergibt sich \(d=K_{a2}b/h\simeq1.30\times10^{-7}~\mathrm{M}\), was bestätigt, dass beide Korrekturterme in der Ladungsbilanz klein sind.
6.4
Natriumcarbonat liefert zwei Natriumionen pro Formeleinheit: \[ \ce{Na2CO3(aq) -> 2Na+(aq) + CO3^2-(aq)}. \]
Carbonat reagiert mit gelöstem Kohlenstoffdioxid: \[ \ce{CO3^2-(aq) + CO2(aq) + H2O(l) <=> 2HCO3-(aq)}. \]
Die Gleichgewichtskonstante dieser Umsetzung beträgt \[ \frac{K_{a1}}{K_{a2}}=10^{4.010}, \] sodass unter den angegebenen Bedingungen Hydrogencarbonat überwiegt.
Hier ist \([\ce{Na+}]=0.0200~\mathrm{M}\). Unter Vernachlässigung der Dissoziation des Wassers, wie gefordert, gilt \[ 0.0200+h=b+2d, \] woraus sich \(b\simeq0.0200~\mathrm{M}\) ergibt.
Somit gilt \[ h\simeq\frac{K_{a1}c}{0.0200} =\frac{(2.34423\times10^{-7})(0.0750673)}{0.0200}, \] und \[ \boxed{[\ce{H+}]=8.80\times10^{-7}~\mathrm{M}}. \]
Die resultierende Carbonatkonzentration beträgt ungefähr \(5.21\times10^{-7}~\mathrm{M}\) und ist damit hinreichend klein, um die Näherung zu rechtfertigen.
6.5
Calciumcarbonat löst sich gemäß \[ \ce{CaCO3(s) <=> Ca^2+(aq) + CO3^2-(aq)}. \]
Jedes gelöste Mol liefert ein Mol Calciumionen. Mit \(M(\ce{CaCO3})\simeq100.1~\mathrm{g\,mol^{-1}}\) und \(100~\mathrm{cm^3}=0.100~\mathrm{dm^3}\) ergibt sich \[ [\ce{Ca^2+}] =\frac{0.0012~\mathrm{g}} {(100.1~\mathrm{g\,mol^{-1}})(0.100~\mathrm{dm^3})}. \]
Daher gilt \[ \boxed{[\ce{Ca^2+}]=1.2\times10^{-4}~\mathrm{mol\,dm^{-3}}}. \]
Die Umverteilung des gelösten Carbonats durch Säure-Base-Reaktionen verändert diese Calciumbilanz nicht.
6.6
Das gegebene Gleichgewicht lautet \[ \ce{CaCO3(s) + CO2(aq) + H2O(l) <=> Ca^2+(aq) + 2HCO3-(aq)}, \] mit \[ K=\frac{[\ce{Ca^2+}]b^2}{c}=10^{-4.25}. \]
Es sei \(s=[\ce{Ca^2+}]\). Die Ladungsbilanz liefert \[ 2s+h=b+2d. \]
Hydrogencarbonat ist das vorherrschende Anion, daher gilt \(b\simeq2s\). Folglich gilt \[ K\simeq\frac{s(2s)^2}{c}=\frac{4s^3}{c}, \] und \[ s=\left(\frac{Kc}{4}\right)^{1/3} =\left(\frac{10^{-4.25}(0.0750673)}{4}\right)^{1/3} =0.0101812~\mathrm{M}. \]
Somit gilt \[ \boxed{[\ce{Ca^2+}]=1.02\times10^{-2}~\mathrm{M}}. \]
Die zugehörige Wasserstoffionenkonzentration beträgt etwa \(8.64\times10^{-7}~\mathrm{M}\), und auch Carbonat ist im Vergleich zu \(b\simeq0.0204~\mathrm{M}\) vernachlässigbar.
6.7
Das aufgenommene Kohlenstoffdioxid neutralisiert Hydroxid, wobei sich insgesamt folgende Umsetzung ergibt: \[ \ce{Ca(OH)2(aq) + 2CO2(aq) -> Ca^2+(aq) + 2HCO3-(aq)}. \]
Bliebe das gesamte ursprünglich vorhandene Calcium gelöst, so gälte näherungsweise \[ [\ce{Ca^2+}]=0.0150~\mathrm{M}, \qquad b=0.0300~\mathrm{M}. \]
Der Reaktionsquotient für das Gleichgewicht in 6.6 wäre \[ Q=\frac{(0.0150)(0.0300)^2}{0.0750673} =1.80\times10^{-4}. \]
Da \[ Q>K=5.62\times10^{-5}, \] verschiebt sich das Gleichgewicht in Richtung des festen Calciumcarbonats. Ein Teil des Calciums fällt aus, und die verbleibende Lösung erreicht die in 6.6 berechnete Sättigungskonzentration: \[ \boxed{[\ce{Ca^2+}]=1.02\times10^{-2}~\mathrm{M}}. \]
Pro Liter fallen ungefähr \(0.0150-0.01018=0.0048~\mathrm{mol}\) Calciumcarbonat aus, was bestätigt, dass eine feste Phase verbleibt.
6.8
Durch Verdünnung auf das doppelte Volumen sinkt die Gesamtkonzentration an Calcium auf \[ C_{\mathrm{Ca,tot}}=\frac{0.0150}{2} =0.00750~\mathrm{M}. \]
Wenn dieses Calcium vollständig gelöst ist, gilt \(b\simeq0.0150~\mathrm{M}\), und \[ Q=\frac{(0.00750)(0.0150)^2}{0.0750673} =2.25\times10^{-5}<K. \]
Die endgültige Lösung ist daher in Bezug auf Calciumcarbonat untersättigt. Calciumcarbonat, das sich während der Gaszugabe bildet, kann sich vollständig lösen, bevor das Endgleichgewicht erreicht wird.
Das gesamte verfügbare Calcium bleibt in Lösung: \[ \boxed{[\ce{Ca^2+}]=7.50\times10^{-3}~\mathrm{M}}. \]
6.9
Wir kombinieren die folgenden Gleichgewichte: \[ \begin{aligned} \ce{CaCO3(s) &<=> Ca^2+(aq) + CO3^2-(aq)} && K_{\mathrm{sp}},\\ \ce{CO2(aq) + H2O(l) &<=> HCO3-(aq) + H+(aq)} && K_{a1},\\ \ce{CO3^2-(aq) + H+(aq) &<=> HCO3-(aq)} && \frac{1}{K_{a2}}. \end{aligned} \]
Ihre Summe ist die vor 6.6 angegebene Reaktion. Daher gilt \[ K=K_{\mathrm{sp}}\frac{K_{a1}}{K_{a2}}, \] sodass \[ K_{\mathrm{sp}} =K\frac{K_{a2}}{K_{a1}} =10^{-4.25}\frac{10^{-10.640}}{10^{-6.630}} =10^{-8.260}. \]
Somit gilt \[ \boxed{K_{\mathrm{sp}}\approx5.5\times10^{-9}}. \]
Unter der Konzentrationsnäherung beträgt das entsprechende Sättigungsprodukt \[ [\ce{Ca^2+}][\ce{CO3^2-}] =5.5\times10^{-9}~\mathrm{mol^2\,dm^{-6}}. \]
Durch die Hydrolyse des Carbonats, \[ \ce{CO3^2-(aq) + H2O(l) <=> HCO3-(aq) + OH-(aq)}, \] ist die Konzentration an freiem Carbonat kleiner als die gesamte molare Löslichkeit in 6.5. Daher kann diese Löslichkeit nicht einfach quadriert werden, um \(K_{\mathrm{sp}}\) zu erhalten.
Die Lösung wurde mit der offiziellen Lösung abgeglichen.
IChO 2000 · Teori sorusu 6
Sert Su
Danimarka'da toprak altındaki tabakalar esas olarak kireç taşından oluşur. Karbondioksit içeren yer altı suyuyla temas ettiğinde kalsiyum karbonatın bir kısmı kalsiyum hidrojen karbonat olarak çözünür. Bunun sonucunda bu tür yer altı suları serttir ve musluk suyu olarak kullanıldıklarında yüksek kalsiyum hidrojen karbonat içerikleri, örneğin mutfak ve banyo gibi ortamlarda kalsiyum karbonatın çökelmesi nedeniyle sorunlara yol açar.
Karbondioksit, \(\ce{CO2}\), sulu çözeltide diprotik bir asittir. \(0~^\circ\mathrm{C}\) sıcaklıktaki \(pK_a\) değerleri şöyledir:

Aşağıdaki soruların tümünde \(\ce{CO2}\)'nin çözünmesine eşlik eden sıvı hacmi değişimi ihmal edilebilir. Sıcaklık \(0~^\circ\mathrm{C}\) olarak alınacaktır.
6.1 Karbondioksitin kısmi basıncı \(1.00~\mathrm{bar}\) iken karbondioksitle doymuş sudaki toplam karbondioksit derişimi \(0.0752~\mathrm{mol\,dm^{-3}}\)'tür. Bu koşullarda bir litre suda çözünebilen karbondioksit gazının hacmini hesaplayınız.
Gaz sabiti \[ R=8.314~\mathrm{J\,mol^{-1}\,K^{-1}} =0.08314~\mathrm{L\,bar\,mol^{-1}\,K^{-1}} \]
6.2 Karbondioksitin kısmi basıncı \(1.00~\mathrm{bar}\) iken karbondioksitle doymuş sudaki hidrojen iyonlarının denge derişimini ve \(\ce{CO2}\)'nin denge derişimini hesaplayınız.
6.3 Karbondioksitin kısmi basıncı \(1.00~\mathrm{bar}\) iken karbondioksitle doymuş \(0.0100~\mathrm{M}\) sulu sodyum hidrojen karbonat çözeltisindeki hidrojen iyonlarının denge derişimini hesaplayınız.
6.4 Karbondioksitin kısmi basıncı \(1.00~\mathrm{bar}\) iken karbondioksitle doymuş \(0.0100~\mathrm{M}\) sulu sodyum karbonat çözeltisindeki hidrojen iyonlarının denge derişimini hesaplayınız. Suyun ayrışmasının etkilerini ihmal ediniz.
6.5 Kalsiyum karbonatın \(0~^\circ\mathrm{C}\) sıcaklıkta sudaki çözünürlüğü, \(100~\mathrm{cm^3}\) su başına \(0.0012~\mathrm{g}\)'dır. Kalsiyum karbonatın sudaki doymuş çözeltisinde kalsiyum iyonlarının derişimini hesaplayınız.
Danimarka'daki sert yer altı suları, suyun toprak altındaki kireç taşıyla teması sonucunda oluşur; kireç taşı, yer altı suyunda çözünmüş karbondioksitle aşağıdaki denge denklemine göre tepkimeye girer:

Bu tepkimenin denge sabiti \(K\), \(0~^\circ\mathrm{C}\) sıcaklıkta \(10^{-4.25}\)'tir.
6.6 Karbondioksitin kısmi basıncının \(1.00~\mathrm{bar}\) olduğu bir atmosferde, kalsiyum karbonatla dengede bulunan sudaki kalsiyum iyonlarının derişimini hesaplayınız.
6.7 \(0.0150~\mathrm{M}\) kalsiyum hidroksit çözeltisi, \(1.00~\mathrm{bar}\) kısmi basınçta karbondioksit gazıyla doyurulmaktadır. Yukarıda 6.6 sorusuyla bağlantılı olarak verilen denge denklemini dikkate alarak çözeltideki kalsiyum iyonlarının derişimini hesaplayınız.
6.8 6.7 sorusunda belirtilen kalsiyum hidroksit çözeltisi, \(1.00~\mathrm{bar}\) kısmi basınçta karbondioksit gazıyla doyurulmadan önce suyla hacminin iki katına seyreltilmektedir. Oluşan \(\ce{CO2}\) ile doymuş çözeltideki kalsiyum iyonlarının derişimini hesaplayınız.
6.9 Yukarıda verilen verilerden kalsiyum karbonatın çözünürlük çarpımı sabitini hesaplayınız.
Soru metni resmi İngilizce metinden çevrilmiştir.
Cevaplar
Burada \(\mathrm{M}=\mathrm{mol\,dm^{-3}}\)'tür.
- 6.1: Karbondioksit gazının hacmi \(V=1.71~\mathrm{L}\); sıcaklık \(0~^\circ\mathrm{C}\) ve basınç \(1.00~\mathrm{bar}\).
- 6.2: \([\ce{H+}]=1.33\times10^{-4}~\mathrm{M}\); \([\ce{CO2(aq)}]=0.0751~\mathrm{M}\).
- 6.3: \([\ce{H+}]=1.76\times10^{-6}~\mathrm{M}\).
- 6.4: \([\ce{H+}]=8.80\times10^{-7}~\mathrm{M}\).
- 6.5: \([\ce{Ca^2+}]=1.2\times10^{-4}~\mathrm{M}\).
- 6.6: \([\ce{Ca^2+}]=1.02\times10^{-2}~\mathrm{M}\).
- 6.7: \([\ce{Ca^2+}]=1.02\times10^{-2}~\mathrm{M}\); bir miktar kalsiyum karbonat çökelir.
- 6.8: \([\ce{Ca^2+}]=7.50\times10^{-3}~\mathrm{M}\); son denge durumunda kalsiyumun tamamı çözünmüş halde kalır.
- 6.9: \(K_{\mathrm{sp}}=10^{-8.26}\approx5.5\times10^{-9}\), \(1~\mathrm{M}\) standart hali kullanılarak.
Çözüm
Türler ve bunların SMILES gösterimleri aşağıda listelenmiştir. Noktayla ayrılmış tuz SMILES gösterimleri iyonik bileşimi belirtir; kristal örgülerini veya sudaki solvatasyonu kodlamaz.
| Tür | SMILES |
|---|---|
| Karbondioksit, \(\ce{CO2}\) | O=C=O |
| Su, \(\ce{H2O}\) | O |
| Hidrojen iyonu, \(\ce{H+}\) | [H+] |
| Hidrojen karbonat iyonu, \(\ce{HCO3-}\) | O=C([O-])O |
| Karbonat iyonu, \(\ce{CO3^2-}\) | O=C([O-])[O-] |
| Hidroksit iyonu, \(\ce{OH-}\) | [OH-] |
| Sodyum iyonu, \(\ce{Na+}\) | [Na+] |
| Kalsiyum iyonu, \(\ce{Ca^2+}\) | [Ca+2] |
| Sodyum hidrojen karbonat, \(\ce{NaHCO3}\) | [Na+].O=C([O-])O |
| Sodyum karbonat, \(\ce{Na2CO3}\) | [Na+].[Na+].O=C([O-])[O-] |
| Kalsiyum karbonat, \(\ce{CaCO3}\) | [Ca+2].O=C([O-])[O-] |
| Kalsiyum hidroksit, \(\ce{Ca(OH)2}\) | [Ca+2].[OH-].[OH-] |
| Kalsiyum hidrojen karbonat, \(\ce{Ca(HCO3)2}\) | [Ca+2].O=C([O-])O.O=C([O-])O |
Çözünmüş türler için derişim yaklaşımını kullanıyor, saf sıvı suyun ve katı kalsiyum karbonatın aktivitelerini bir kabul ediyoruz. Denge ifadelerinde standart hal derişim çarpanları gösterilmemiştir.
6.1
Bir litre su tarafından soğurulan karbondioksitin madde miktarı \[ n=(0.0752~\mathrm{mol\,L^{-1}})(1.00~\mathrm{L}) =0.0752~\mathrm{mol}. \]
\(T=273.15~\mathrm{K}\) sıcaklıkta ideal gaz denklemi kullanıldığında, \[ V=\frac{nRT}{p} =\frac{(0.0752)(0.08314)(273.15)}{1.00}~\mathrm{L} =1.70777~\mathrm{L}. \]
Böylece, \[ \boxed{V=1.71~\mathrm{L}}. \]
6.2
İki asit dengesi şöyledir: \[ \ce{CO2(aq) + H2O(l) <=> HCO3-(aq) + H+(aq)}, \qquad K_{a1}=10^{-6.630}=2.344\times10^{-7}, \] \[ \ce{HCO3-(aq) <=> CO3^2-(aq) + H+(aq)}, \qquad K_{a2}=10^{-10.640}=2.291\times10^{-11}. \]
Şu tanımları yapalım: \[ h=[\ce{H+}],\qquad c=[\ce{CO2(aq)}],\qquad b=[\ce{HCO3-}],\qquad d=[\ce{CO3^2-}]. \]
Bu durumda \[ K_{a1}=\frac{hb}{c}, \qquad K_{a2}=\frac{hd}{b}. \]
Toplam çözünmüş karbon derişimi \[ C_T=c+b+d=0.0752~\mathrm{M}. \]
Bu asidik çözeltide suyun iyonlaşması ve ikinci ayrışma ihmal edilebilir. Dolayısıyla yük denkliği \(b\simeq h\), karbon denkliği ise \(c\simeq C_T-h\) verir. Bu nedenle, \[ K_{a1}=\frac{h^2}{C_T-h}, \] ve \[ h=\frac{-K_{a1}+\sqrt{K_{a1}^2+4K_{a1}C_T}}{2} =1.32656\times10^{-4}~\mathrm{M}. \]
Buradan \[ c=0.0752-0.000132656 =0.0750673~\mathrm{M}. \]
İhmal edilen karbonat oranı gerçekten de çok küçüktür: \[ \frac{d}{b}=\frac{K_{a2}}{h}=1.73\times10^{-7}. \]
Böylece, \[ \boxed{[\ce{H+}]=1.33\times10^{-4}~\mathrm{M}}, \qquad \boxed{[\ce{CO2(aq)}]=0.0751~\mathrm{M}}. \]
Sıcaklık ve karbondioksitin kısmi basıncı sabitken Henry yasası, moleküler \(\ce{CO2(aq)}\)'nin derişimini sabitler. Bu nedenle, bundan sonraki sorularda \(1.00~\mathrm{bar}\) basınçta karbondioksitle doymuş çözeltiler için \(c=0.0750673~\mathrm{M}\) kullanıyoruz. Bu çözeltilerin toplam çözünmüş karbon derişimleri farklı olabilir.
6.3
Sodyum hidrojen karbonat ayrışır: \[ \ce{NaHCO3(aq) -> Na+(aq) + HCO3-(aq)}. \]
Böylece \([\ce{Na+}]=0.0100~\mathrm{M}\) olur. Suyun iyonlaşması ihmal edildiğinde yük denkliği \[ 0.0100+h=b+2d. \]
\(h\) ve \(d\), \(0.0100~\mathrm{M}\)'a kıyasla küçük olduğundan, \[ b\simeq0.0100~\mathrm{M}. \]
Birinci asit dengesi şu sonucu verir: \[ h=\frac{K_{a1}c}{b} \simeq\frac{(2.34423\times10^{-7})(0.0750673)}{0.0100}. \]
Dolayısıyla, \[ \boxed{[\ce{H+}]=1.76\times10^{-6}~\mathrm{M}}. \]
Buradan \(d=K_{a2}b/h\simeq1.30\times10^{-7}~\mathrm{M}\) bulunur; bu da yük denkliğindeki her iki düzeltme teriminin küçük olduğunu doğrular.
6.4
Sodyum karbonat, formül birimi başına iki sodyum iyonu verir: \[ \ce{Na2CO3(aq) -> 2Na+(aq) + CO3^2-(aq)}. \]
Karbonat, çözünmüş karbondioksitle tepkimeye girer: \[ \ce{CO3^2-(aq) + CO2(aq) + H2O(l) <=> 2HCO3-(aq)}. \]
Bu dönüşümün denge sabiti \[ \frac{K_{a1}}{K_{a2}}=10^{4.010}, \] olduğundan, belirtilen koşullarda hidrojen karbonat baskındır.
Burada \([\ce{Na+}]=0.0200~\mathrm{M}\)'dır. İstendiği gibi suyun ayrışması ihmal edildiğinde, \[ 0.0200+h=b+2d, \] ve buradan \(b\simeq0.0200~\mathrm{M}\) elde edilir.
Böylece, \[ h\simeq\frac{K_{a1}c}{0.0200} =\frac{(2.34423\times10^{-7})(0.0750673)}{0.0200}, \] ve \[ \boxed{[\ce{H+}]=8.80\times10^{-7}~\mathrm{M}}. \]
Elde edilen karbonat derişimi yaklaşık \(5.21\times10^{-7}~\mathrm{M}\)'dır; bu değer, yaklaşımın geçerliliğini doğrulayacak kadar küçüktür.
6.5
Kalsiyum karbonat aşağıdaki denkleme göre çözünür: \[ \ce{CaCO3(s) <=> Ca^2+(aq) + CO3^2-(aq)}. \]
Çözünen her bir mol, bir mol kalsiyum iyonu verir. \(M(\ce{CaCO3})\simeq100.1~\mathrm{g\,mol^{-1}}\) ve \(100~\mathrm{cm^3}=0.100~\mathrm{dm^3}\) kullanıldığında, \[ [\ce{Ca^2+}] =\frac{0.0012~\mathrm{g}} {(100.1~\mathrm{g\,mol^{-1}})(0.100~\mathrm{dm^3})}. \]
Dolayısıyla, \[ \boxed{[\ce{Ca^2+}]=1.2\times10^{-4}~\mathrm{mol\,dm^{-3}}}. \]
Çözünmüş karbonatın asit–baz dengeleriyle türler arasında yeniden dağılması, bu kalsiyum denkliğini değiştirmez.
6.6
Verilen denge \[ \ce{CaCO3(s) + CO2(aq) + H2O(l) <=> Ca^2+(aq) + 2HCO3-(aq)}, \] ve buna ait denge sabiti \[ K=\frac{[\ce{Ca^2+}]b^2}{c}=10^{-4.25}. \]
\(s=[\ce{Ca^2+}]\) olsun. Yük denkliği şu sonucu verir: \[ 2s+h=b+2d. \]
Hidrojen karbonat baskın anyon olduğundan \(b\simeq2s\) olur. Dolayısıyla, \[ K\simeq\frac{s(2s)^2}{c}=\frac{4s^3}{c}, \] ve \[ s=\left(\frac{Kc}{4}\right)^{1/3} =\left(\frac{10^{-4.25}(0.0750673)}{4}\right)^{1/3} =0.0101812~\mathrm{M}. \]
Böylece, \[ \boxed{[\ce{Ca^2+}]=1.02\times10^{-2}~\mathrm{M}}. \]
Buna karşılık gelen hidrojen iyonu derişimi yaklaşık \(8.64\times10^{-7}~\mathrm{M}\)'dır ve karbonat da \(b\simeq0.0204~\mathrm{M}\)'a kıyasla ihmal edilebilir düzeydedir.
6.7
Soğurulan karbondioksit hidroksidi nötrleştirir ve toplam dönüşüm aşağıdaki gibi olur: \[ \ce{Ca(OH)2(aq) + 2CO2(aq) -> Ca^2+(aq) + 2HCO3-(aq)}. \]
Başlangıçtaki kalsiyumun tamamı çözünmüş halde kalsaydı, yaklaşık olarak \[ [\ce{Ca^2+}]=0.0150~\mathrm{M}, \qquad b=0.0300~\mathrm{M}. \]
6.6'daki denge için tepkime bölümü şu olurdu: \[ Q=\frac{(0.0150)(0.0300)^2}{0.0750673} =1.80\times10^{-4}. \]
\[ Q>K=5.62\times10^{-5}, \] olduğundan denge, katı kalsiyum karbonat oluşumu yönüne kayar. Kalsiyumun bir kısmı çökelir ve geriye kalan çözelti, 6.6'da hesaplanan doygunluk derişimine ulaşır: \[ \boxed{[\ce{Ca^2+}]=1.02\times10^{-2}~\mathrm{M}}. \]
Litre başına yaklaşık \(0.0150-0.01018=0.0048~\mathrm{mol}\) kalsiyum karbonat çökelir; bu da katı fazın kaldığını doğrular.
6.8
Hacmin iki katına seyreltilmesi, toplam kalsiyum derişimini aşağıdaki değere düşürür: \[ C_{\mathrm{Ca,tot}}=\frac{0.0150}{2} =0.00750~\mathrm{M}. \]
Bu kalsiyumun tamamı çözünmüşse, \(b\simeq0.0150~\mathrm{M}\) olur ve \[ Q=\frac{(0.00750)(0.0150)^2}{0.0750673} =2.25\times10^{-5}<K. \]
Dolayısıyla son çözelti kalsiyum karbonat bakımından doymamıştır. Gazın eklenmesi sırasında oluşabilecek kalsiyum karbonatın tamamı, son dengeye ulaşılmadan önce çözünebilir.
Mevcut kalsiyumun tamamı çözeltide kalır: \[ \boxed{[\ce{Ca^2+}]=7.50\times10^{-3}~\mathrm{M}}. \]
6.9
Aşağıdaki dengeleri birleştirelim: \[ \begin{aligned} \ce{CaCO3(s) &<=> Ca^2+(aq) + CO3^2-(aq)} && K_{\mathrm{sp}},\\ \ce{CO2(aq) + H2O(l) &<=> HCO3-(aq) + H+(aq)} && K_{a1},\\ \ce{CO3^2-(aq) + H+(aq) &<=> HCO3-(aq)} && \frac{1}{K_{a2}}. \end{aligned} \]
Bunların toplamı, 6.6'dan önce verilen tepkimedir. Dolayısıyla, \[ K=K_{\mathrm{sp}}\frac{K_{a1}}{K_{a2}}, \] ve buradan \[ K_{\mathrm{sp}} =K\frac{K_{a2}}{K_{a1}} =10^{-4.25}\frac{10^{-10.640}}{10^{-6.630}} =10^{-8.260}. \]
Böylece, \[ \boxed{K_{\mathrm{sp}}\approx5.5\times10^{-9}}. \]
Derişim yaklaşımı altında, buna karşılık gelen doygunluk çarpımı \[ [\ce{Ca^2+}][\ce{CO3^2-}] =5.5\times10^{-9}~\mathrm{mol^2\,dm^{-6}}. \]
Karbonatın hidrolizi, \[ \ce{CO3^2-(aq) + H2O(l) <=> HCO3-(aq) + OH-(aq)}, \] serbest karbonat derişiminin 6.5'teki toplam molar çözünürlükten daha küçük olmasına neden olur. Dolayısıyla, \(K_{\mathrm{sp}}\)'yi elde etmek için bu çözünürlüğün doğrudan karesi alınamaz.
Çözüm, resmi çözümle karşılaştırılarak kontrol edildi.
IChO 2000 · Problema teórico 6
Agua dura
En Dinamarca, el subsuelo está formado principalmente por piedra caliza. En contacto con el agua subterránea que contiene dióxido de carbono, parte del carbonato de calcio se disuelve en forma de hidrogenocarbonato de calcio. Como resultado, esta agua subterránea es dura y, cuando se utiliza como agua del grifo, su elevado contenido de hidrogenocarbonato de calcio ocasiona problemas debido a la precipitación de carbonato de calcio, por ejemplo, en cocinas y baños.
El dióxido de carbono, \(\ce{CO2}\), es un ácido diprótico en disolución acuosa. Los valores de \(pK_a\) a \(0~^\circ\mathrm{C}\) son:

El cambio de volumen del líquido asociado a la disolución de \(\ce{CO2}\) puede despreciarse en todos los problemas siguientes. Se debe considerar que la temperatura es de \(0~^\circ\mathrm{C}\).
6.1 La concentración total de dióxido de carbono en agua saturada con dióxido de carbono a una presión parcial de dióxido de carbono de \(1.00~\mathrm{bar}\) es de \(0.0752~\mathrm{mol\,dm^{-3}}\). Calcule el volumen de dióxido de carbono gaseoso que puede disolverse en un litro de agua en estas condiciones.
La constante de los gases \[ R=8.314~\mathrm{J\,mol^{-1}\,K^{-1}} =0.08314~\mathrm{L\,bar\,mol^{-1}\,K^{-1}} \]
6.2 Calcule la concentración de equilibrio de iones hidrógeno y la concentración de equilibrio de \(\ce{CO2}\) en agua saturada con dióxido de carbono a una presión parcial de dióxido de carbono de \(1.00~\mathrm{bar}\).
6.3 Calcule la concentración de equilibrio de iones hidrógeno en una disolución acuosa de hidrogenocarbonato de sodio \(0.0100~\mathrm{M}\) saturada con dióxido de carbono a una presión parcial de dióxido de carbono de \(1.00~\mathrm{bar}\).
6.4 Calcule la concentración de equilibrio de iones hidrógeno en una disolución acuosa de carbonato de sodio \(0.0100~\mathrm{M}\) saturada con dióxido de carbono a una presión parcial de dióxido de carbono de \(1.00~\mathrm{bar}\). Ignore los efectos de la disociación del agua.
6.5 La solubilidad del carbonato de calcio en agua a \(0~^\circ\mathrm{C}\) es de \(0.0012~\mathrm{g}\) por cada \(100~\mathrm{cm^3}\) de agua. Calcule la concentración de iones calcio en una disolución saturada de carbonato de calcio en agua.
El agua subterránea dura de Dinamarca se forma por el contacto del agua con la piedra caliza del subsuelo, que reacciona con el dióxido de carbono disuelto en el agua subterránea según la ecuación de equilibrio:

La constante de equilibrio, \(K\), de esta reacción es \(10^{-4.25}\) a \(0~^\circ\mathrm{C}\).
6.6 Calcule la concentración de iones calcio en agua en equilibrio con carbonato de calcio en una atmósfera con una presión parcial de dióxido de carbono de \(1.00~\mathrm{bar}\).
6.7 Una disolución de hidróxido de calcio \(0.0150~\mathrm{M}\) se satura con dióxido de carbono gaseoso a una presión parcial de \(1.00~\mathrm{bar}\). Calcule la concentración de iones calcio en la disolución considerando la ecuación de equilibrio indicada anteriormente en relación con el problema 6.6.
6.8 La disolución de hidróxido de calcio mencionada en el problema 6.7 se diluye con agua hasta duplicar su volumen antes de saturarla con dióxido de carbono gaseoso a una presión parcial de \(1.00~\mathrm{bar}\). Calcule la concentración de iones calcio en la disolución resultante saturada con \(\ce{CO2}\).
6.9 Calcule la constante del producto de solubilidad del carbonato de calcio a partir de los datos anteriores.
Enunciado traducido del texto oficial en inglés.
Respuestas
Aquí, \(\mathrm{M}=\mathrm{mol\,dm^{-3}}\).
- 6.1: \(V=1.71~\mathrm{L}\) de dióxido de carbono gaseoso a \(0~^\circ\mathrm{C}\) y \(1.00~\mathrm{bar}\).
- 6.2: \([\ce{H+}]=1.33\times10^{-4}~\mathrm{M}\); \([\ce{CO2(aq)}]=0.0751~\mathrm{M}\).
- 6.3: \([\ce{H+}]=1.76\times10^{-6}~\mathrm{M}\).
- 6.4: \([\ce{H+}]=8.80\times10^{-7}~\mathrm{M}\).
- 6.5: \([\ce{Ca^2+}]=1.2\times10^{-4}~\mathrm{M}\).
- 6.6: \([\ce{Ca^2+}]=1.02\times10^{-2}~\mathrm{M}\).
- 6.7: \([\ce{Ca^2+}]=1.02\times10^{-2}~\mathrm{M}\); precipita parte del carbonato de calcio.
- 6.8: \([\ce{Ca^2+}]=7.50\times10^{-3}~\mathrm{M}\); todo el calcio permanece disuelto en el equilibrio final.
- 6.9: \(K_{\mathrm{sp}}=10^{-8.26}\approx5.5\times10^{-9}\), utilizando el estado estándar de \(1~\mathrm{M}\).
Solución
Las especies y sus SMILES se enumeran a continuación. Los SMILES de las sales, cuyos componentes están separados por puntos, describen la composición iónica; no codifican las redes cristalinas ni la solvatación acuosa.
| Especie | SMILES |
|---|---|
| Dióxido de carbono, \(\ce{CO2}\) | O=C=O |
| Agua, \(\ce{H2O}\) | O |
| Ion hidrógeno, \(\ce{H+}\) | [H+] |
| Ion hidrogenocarbonato, \(\ce{HCO3-}\) | O=C([O-])O |
| Ion carbonato, \(\ce{CO3^2-}\) | O=C([O-])[O-] |
| Ion hidróxido, \(\ce{OH-}\) | [OH-] |
| Ion sodio, \(\ce{Na+}\) | [Na+] |
| Ion calcio, \(\ce{Ca^2+}\) | [Ca+2] |
| Hidrogenocarbonato de sodio, \(\ce{NaHCO3}\) | [Na+].O=C([O-])O |
| Carbonato de sodio, \(\ce{Na2CO3}\) | [Na+].[Na+].O=C([O-])[O-] |
| Carbonato de calcio, \(\ce{CaCO3}\) | [Ca+2].O=C([O-])[O-] |
| Hidróxido de calcio, \(\ce{Ca(OH)2}\) | [Ca+2].[OH-].[OH-] |
| Hidrogenocarbonato de calcio, \(\ce{Ca(HCO3)2}\) | [Ca+2].O=C([O-])O.O=C([O-])O |
Utilizamos la aproximación de las actividades por las concentraciones para las especies disueltas y actividades unitarias para el agua líquida pura y el carbonato de calcio sólido. Los factores de concentración del estado estándar se omiten en las expresiones de equilibrio.
6.1
La cantidad de dióxido de carbono absorbida por un litro de agua es \[ n=(0.0752~\mathrm{mol\,L^{-1}})(1.00~\mathrm{L}) =0.0752~\mathrm{mol}. \]
Utilizando la ecuación de los gases ideales a \(T=273.15~\mathrm{K}\), \[ V=\frac{nRT}{p} =\frac{(0.0752)(0.08314)(273.15)}{1.00}~\mathrm{L} =1.70777~\mathrm{L}. \]
Por tanto, \[ \boxed{V=1.71~\mathrm{L}}. \]
6.2
Los dos equilibrios ácidos son \[ \ce{CO2(aq) + H2O(l) <=> HCO3-(aq) + H+(aq)}, \qquad K_{a1}=10^{-6.630}=2.344\times10^{-7}, \] \[ \ce{HCO3-(aq) <=> CO3^2-(aq) + H+(aq)}, \qquad K_{a2}=10^{-10.640}=2.291\times10^{-11}. \]
Definimos \[ h=[\ce{H+}],\qquad c=[\ce{CO2(aq)}],\qquad b=[\ce{HCO3-}],\qquad d=[\ce{CO3^2-}]. \]
Entonces \[ K_{a1}=\frac{hb}{c}, \qquad K_{a2}=\frac{hd}{b}. \]
La concentración total de carbono disuelto es \[ C_T=c+b+d=0.0752~\mathrm{M}. \]
La ionización del agua y la segunda disociación son despreciables en esta disolución ácida. En consecuencia, el balance de cargas da \(b\simeq h\), mientras que el balance de carbono da \(c\simeq C_T-h\). Por tanto, \[ K_{a1}=\frac{h^2}{C_T-h}, \] y \[ h=\frac{-K_{a1}+\sqrt{K_{a1}^2+4K_{a1}C_T}}{2} =1.32656\times10^{-4}~\mathrm{M}. \]
De ahí que \[ c=0.0752-0.000132656 =0.0750673~\mathrm{M}. \]
La fracción de carbonato despreciada es, en efecto, muy pequeña: \[ \frac{d}{b}=\frac{K_{a2}}{h}=1.73\times10^{-7}. \]
Por tanto, \[ \boxed{[\ce{H+}]=1.33\times10^{-4}~\mathrm{M}}, \qquad \boxed{[\ce{CO2(aq)}]=0.0751~\mathrm{M}}. \]
A temperatura y presión parcial de dióxido de carbono fijas, la ley de Henry determina la concentración de \(\ce{CO2(aq)}\) molecular. Por ello, utilizamos \(c=0.0750673~\mathrm{M}\) en las disoluciones de los apartados siguientes saturadas con dióxido de carbono a \(1.00~\mathrm{bar}\). Sus concentraciones totales de carbono disuelto pueden ser diferentes.
6.3
El hidrogenocarbonato de sodio se disocia: \[ \ce{NaHCO3(aq) -> Na+(aq) + HCO3-(aq)}. \]
Por tanto, \([\ce{Na+}]=0.0100~\mathrm{M}\). Despreciando la ionización del agua, el balance de cargas es \[ 0.0100+h=b+2d. \]
Como \(h\) y \(d\) son pequeños en comparación con \(0.0100~\mathrm{M}\), \[ b\simeq0.0100~\mathrm{M}. \]
El primer equilibrio ácido da \[ h=\frac{K_{a1}c}{b} \simeq\frac{(2.34423\times10^{-7})(0.0750673)}{0.0100}. \]
Por tanto, \[ \boxed{[\ce{H+}]=1.76\times10^{-6}~\mathrm{M}}. \]
Esto da \(d=K_{a2}b/h\simeq1.30\times10^{-7}~\mathrm{M}\), lo que confirma que ambos términos de corrección del balance de cargas son pequeños.
6.4
El carbonato de sodio aporta dos iones sodio por unidad fórmula: \[ \ce{Na2CO3(aq) -> 2Na+(aq) + CO3^2-(aq)}. \]
El carbonato reacciona con el dióxido de carbono disuelto: \[ \ce{CO3^2-(aq) + CO2(aq) + H2O(l) <=> 2HCO3-(aq)}. \]
La constante de equilibrio de esta transformación es \[ \frac{K_{a1}}{K_{a2}}=10^{4.010}, \] por lo que el hidrogenocarbonato predomina en las condiciones especificadas.
Aquí, \([\ce{Na+}]=0.0200~\mathrm{M}\). Ignorando la disociación del agua, como se indica, \[ 0.0200+h=b+2d, \] lo que da \(b\simeq0.0200~\mathrm{M}\).
Por tanto, \[ h\simeq\frac{K_{a1}c}{0.0200} =\frac{(2.34423\times10^{-7})(0.0750673)}{0.0200}, \] y \[ \boxed{[\ce{H+}]=8.80\times10^{-7}~\mathrm{M}}. \]
La concentración de carbonato resultante es de aproximadamente \(5.21\times10^{-7}~\mathrm{M}\), suficientemente pequeña para validar la aproximación.
6.5
El carbonato de calcio se disuelve según \[ \ce{CaCO3(s) <=> Ca^2+(aq) + CO3^2-(aq)}. \]
Cada mol disuelto aporta un mol de iones calcio. Utilizando \(M(\ce{CaCO3})\simeq100.1~\mathrm{g\,mol^{-1}}\) y \(100~\mathrm{cm^3}=0.100~\mathrm{dm^3}\), \[ [\ce{Ca^2+}] =\frac{0.0012~\mathrm{g}} {(100.1~\mathrm{g\,mol^{-1}})(0.100~\mathrm{dm^3})}. \]
Por tanto, \[ \boxed{[\ce{Ca^2+}]=1.2\times10^{-4}~\mathrm{mol\,dm^{-3}}}. \]
La redistribución ácido-base del carbonato disuelto no modifica este balance de calcio.
6.6
El equilibrio dado es \[ \ce{CaCO3(s) + CO2(aq) + H2O(l) <=> Ca^2+(aq) + 2HCO3-(aq)}, \] con \[ K=\frac{[\ce{Ca^2+}]b^2}{c}=10^{-4.25}. \]
Sea \(s=[\ce{Ca^2+}]\). El balance de cargas da \[ 2s+h=b+2d. \]
El hidrogenocarbonato es el anión predominante, por lo que \(b\simeq2s\). En consecuencia, \[ K\simeq\frac{s(2s)^2}{c}=\frac{4s^3}{c}, \] y \[ s=\left(\frac{Kc}{4}\right)^{1/3} =\left(\frac{10^{-4.25}(0.0750673)}{4}\right)^{1/3} =0.0101812~\mathrm{M}. \]
Por tanto, \[ \boxed{[\ce{Ca^2+}]=1.02\times10^{-2}~\mathrm{M}}. \]
La concentración de iones hidrógeno correspondiente es de aproximadamente \(8.64\times10^{-7}~\mathrm{M}\), y el carbonato también es despreciable en comparación con \(b\simeq0.0204~\mathrm{M}\).
6.7
El dióxido de carbono absorbido neutraliza el hidróxido, dando lugar a la transformación global \[ \ce{Ca(OH)2(aq) + 2CO2(aq) -> Ca^2+(aq) + 2HCO3-(aq)}. \]
Si todo el calcio inicial permaneciera disuelto, entonces, aproximadamente, \[ [\ce{Ca^2+}]=0.0150~\mathrm{M}, \qquad b=0.0300~\mathrm{M}. \]
El cociente de reacción para el equilibrio de 6.6 sería \[ Q=\frac{(0.0150)(0.0300)^2}{0.0750673} =1.80\times10^{-4}. \]
Como \[ Q>K=5.62\times10^{-5}, \] el equilibrio se desplaza hacia el carbonato de calcio sólido. Parte del calcio precipita y la disolución restante alcanza la concentración de saturación calculada en 6.6: \[ \boxed{[\ce{Ca^2+}]=1.02\times10^{-2}~\mathrm{M}}. \]
Precipitan aproximadamente \(0.0150-0.01018=0.0048~\mathrm{mol}\) de carbonato de calcio por litro, lo que confirma que queda una fase sólida.
6.8
La dilución hasta duplicar el volumen reduce la concentración total de calcio a \[ C_{\mathrm{Ca,tot}}=\frac{0.0150}{2} =0.00750~\mathrm{M}. \]
Si todo este calcio está disuelto, \(b\simeq0.0150~\mathrm{M}\), y \[ Q=\frac{(0.00750)(0.0150)^2}{0.0750673} =2.25\times10^{-5}<K. \]
Por tanto, la disolución final está insaturada con respecto al carbonato de calcio. Cualquier carbonato de calcio formado durante la adición del gas puede disolverse por completo antes de que se alcance el equilibrio final.
Todo el calcio disponible permanece en disolución: \[ \boxed{[\ce{Ca^2+}]=7.50\times10^{-3}~\mathrm{M}}. \]
6.9
Combinamos los siguientes equilibrios: \[ \begin{aligned} \ce{CaCO3(s) &<=> Ca^2+(aq) + CO3^2-(aq)} && K_{\mathrm{sp}},\\ \ce{CO2(aq) + H2O(l) &<=> HCO3-(aq) + H+(aq)} && K_{a1},\\ \ce{CO3^2-(aq) + H+(aq) &<=> HCO3-(aq)} && \frac{1}{K_{a2}}. \end{aligned} \]
Su suma es la reacción indicada antes de 6.6. Por tanto, \[ K=K_{\mathrm{sp}}\frac{K_{a1}}{K_{a2}}, \] de modo que \[ K_{\mathrm{sp}} =K\frac{K_{a2}}{K_{a1}} =10^{-4.25}\frac{10^{-10.640}}{10^{-6.630}} =10^{-8.260}. \]
Por tanto, \[ \boxed{K_{\mathrm{sp}}\approx5.5\times10^{-9}}. \]
Con la aproximación de las actividades por las concentraciones, el producto de saturación correspondiente es \[ [\ce{Ca^2+}][\ce{CO3^2-}] =5.5\times10^{-9}~\mathrm{mol^2\,dm^{-6}}. \]
La hidrólisis del carbonato, \[ \ce{CO3^2-(aq) + H2O(l) <=> HCO3-(aq) + OH-(aq)}, \] hace que la concentración de carbonato libre sea menor que la solubilidad molar total de 6.5. En consecuencia, no basta con elevar al cuadrado dicha solubilidad para obtener \(K_{\mathrm{sp}}\).
La solución se comprobó con la solución oficial.
IChO 2000 · 理论题 6
硬水
丹麦的地下土层主要由石灰岩构成。石灰岩与含有二氧化碳的地下水接触时,部分碳酸钙会以碳酸氢钙的形式溶解。因此,这样的地下水属于硬水;将其用作自来水时,由于碳酸氢钙含量较高,会在厨房、浴室等环境中因碳酸钙析出而造成问题。
二氧化碳 \(\ce{CO2}\) 在水溶液中是一种二元酸。其在 \(0~^\circ\mathrm{C}\) 时的 \(pK_a\) 值为:

在以下所有问题中,均可忽略 \(\ce{CO2}\) 溶解所引起的液体体积变化。温度均取 \(0~^\circ\mathrm{C}\)。
6.1 在二氧化碳分压为 \(1.00~\mathrm{bar}\) 时,二氧化碳饱和水溶液中二氧化碳的总浓度为 \(0.0752~\mathrm{mol\,dm^{-3}}\)。计算在这些条件下一升水所能溶解的二氧化碳气体的体积。
气体常数 \[ R=8.314~\mathrm{J\,mol^{-1}\,K^{-1}} =0.08314~\mathrm{L\,bar\,mol^{-1}\,K^{-1}} \]
6.2 计算在二氧化碳分压为 \(1.00~\mathrm{bar}\) 时,二氧化碳饱和水溶液中氢离子的平衡浓度和 \(\ce{CO2}\) 的平衡浓度。
6.3 计算在二氧化碳分压为 \(1.00~\mathrm{bar}\) 时,用二氧化碳饱和的 \(0.0100~\mathrm{M}\) 碳酸氢钠水溶液中氢离子的平衡浓度。
6.4 计算在二氧化碳分压为 \(1.00~\mathrm{bar}\) 时,用二氧化碳饱和的 \(0.0100~\mathrm{M}\) 碳酸钠水溶液中氢离子的平衡浓度。忽略水的电离效应。
6.5 在 \(0~^\circ\mathrm{C}\) 时,碳酸钙在水中的溶解度为每 \(100~\mathrm{cm^3}\) 水中溶解 \(0.0012~\mathrm{g}\)。计算碳酸钙饱和水溶液中钙离子的浓度。
丹麦的地下硬水是水与地下土层中的石灰岩接触而形成的,石灰岩与溶解在地下水中的二氧化碳按照下列平衡方程式反应:

该反应在 \(0~^\circ\mathrm{C}\) 时的平衡常数 \(K\) 为 \(10^{-4.25}\)。
6.6 在二氧化碳分压为 \(1.00~\mathrm{bar}\) 的气氛中,计算与碳酸钙处于平衡的水中钙离子的浓度。
6.7 用分压为 \(1.00~\mathrm{bar}\) 的二氧化碳气体使 \(0.0150~\mathrm{M}\) 氢氧化钙溶液达到饱和。利用上文与问题 6.6 相关的平衡方程式,计算溶液中钙离子的浓度。
6.8 将问题 6.7 中所述的氢氧化钙溶液用水稀释至原体积的两倍,然后用分压为 \(1.00~\mathrm{bar}\) 的二氧化碳气体使其达到饱和。计算所得 \(\ce{CO2}\) 饱和溶液中钙离子的浓度。
6.9 根据上述数据计算碳酸钙的溶度积常数。
题目译自官方英文原文。
答案
此处,\(\mathrm{M}=\mathrm{mol\,dm^{-3}}\)。
- 6.1: 在 \(0~^\circ\mathrm{C}\) 和 \(1.00~\mathrm{bar}\) 下,二氧化碳气体的体积为 \(V=1.71~\mathrm{L}\)。
- 6.2: \([\ce{H+}]=1.33\times10^{-4}~\mathrm{M}\);\([\ce{CO2(aq)}]=0.0751~\mathrm{M}\)。
- 6.3: \([\ce{H+}]=1.76\times10^{-6}~\mathrm{M}\)。
- 6.4: \([\ce{H+}]=8.80\times10^{-7}~\mathrm{M}\)。
- 6.5: \([\ce{Ca^2+}]=1.2\times10^{-4}~\mathrm{M}\)。
- 6.6: \([\ce{Ca^2+}]=1.02\times10^{-2}~\mathrm{M}\)。
- 6.7: \([\ce{Ca^2+}]=1.02\times10^{-2}~\mathrm{M}\);有部分碳酸钙沉淀析出。
- 6.8: \([\ce{Ca^2+}]=7.50\times10^{-3}~\mathrm{M}\);在最终平衡时,所有钙均保持溶解状态。
- 6.9: 采用 \(1~\mathrm{M}\) 标准态,\(K_{\mathrm{sp}}=10^{-8.26}\approx5.5\times10^{-9}\)。
解答
下表列出了各物种及其 SMILES。盐的 SMILES 中以点号分隔的表示法描述的是离子组成,并不表示晶格或水溶液中的溶剂化情况。
| 物种 | SMILES |
|---|---|
| 二氧化碳,\(\ce{CO2}\) | O=C=O |
| 水,\(\ce{H2O}\) | O |
| 氢离子,\(\ce{H+}\) | [H+] |
| 碳酸氢根离子,\(\ce{HCO3-}\) | O=C([O-])O |
| 碳酸根离子,\(\ce{CO3^2-}\) | O=C([O-])[O-] |
| 氢氧根离子,\(\ce{OH-}\) | [OH-] |
| 钠离子,\(\ce{Na+}\) | [Na+] |
| 钙离子,\(\ce{Ca^2+}\) | [Ca+2] |
| 碳酸氢钠,\(\ce{NaHCO3}\) | [Na+].O=C([O-])O |
| 碳酸钠,\(\ce{Na2CO3}\) | [Na+].[Na+].O=C([O-])[O-] |
| 碳酸钙,\(\ce{CaCO3}\) | [Ca+2].O=C([O-])[O-] |
| 氢氧化钙,\(\ce{Ca(OH)2}\) | [Ca+2].[OH-].[OH-] |
| 碳酸氢钙,\(\ce{Ca(HCO3)2}\) | [Ca+2].O=C([O-])O.O=C([O-])O |
对溶解物种采用浓度近似,并将纯液态水和固态碳酸钙的活度取为 1。平衡表达式中省略标准态浓度因子。
6.1
一升水吸收的二氧化碳的物质的量为 \[ n=(0.0752~\mathrm{mol\,L^{-1}})(1.00~\mathrm{L}) =0.0752~\mathrm{mol}. \]
在 \(T=273.15~\mathrm{K}\) 下,利用理想气体状态方程, \[ V=\frac{nRT}{p} =\frac{(0.0752)(0.08314)(273.15)}{1.00}~\mathrm{L} =1.70777~\mathrm{L}. \]
因此, \[ \boxed{V=1.71~\mathrm{L}}. \]
6.2
两步酸电离平衡为 \[ \ce{CO2(aq) + H2O(l) <=> HCO3-(aq) + H+(aq)}, \qquad K_{a1}=10^{-6.630}=2.344\times10^{-7}, \] \[ \ce{HCO3-(aq) <=> CO3^2-(aq) + H+(aq)}, \qquad K_{a2}=10^{-10.640}=2.291\times10^{-11}. \]
定义 \[ h=[\ce{H+}],\qquad c=[\ce{CO2(aq)}],\qquad b=[\ce{HCO3-}],\qquad d=[\ce{CO3^2-}]. \]
则 \[ K_{a1}=\frac{hb}{c}, \qquad K_{a2}=\frac{hd}{b}. \]
溶解碳的总浓度为 \[ C_T=c+b+d=0.0752~\mathrm{M}. \]
在该酸性溶液中,水的电离和第二步电离均可忽略。因此,由电荷守恒得 \(b\simeq h\),由碳的物料守恒得 \(c\simeq C_T-h\)。于是, \[ K_{a1}=\frac{h^2}{C_T-h}, \] 且 \[ h=\frac{-K_{a1}+\sqrt{K_{a1}^2+4K_{a1}C_T}}{2} =1.32656\times10^{-4}~\mathrm{M}. \]
因此 \[ c=0.0752-0.000132656 =0.0750673~\mathrm{M}. \]
被忽略的碳酸根所占比例确实极小: \[ \frac{d}{b}=\frac{K_{a2}}{h}=1.73\times10^{-7}. \]
因此, \[ \boxed{[\ce{H+}]=1.33\times10^{-4}~\mathrm{M}}, \qquad \boxed{[\ce{CO2(aq)}]=0.0751~\mathrm{M}}. \]
在温度和二氧化碳分压固定时,根据亨利定律,分子态 \(\ce{CO2(aq)}\) 的浓度固定。因此,对于后续在 \(1.00~\mathrm{bar}\) 下用二氧化碳饱和的溶液,我们采用 \(c=0.0750673~\mathrm{M}\)。这些溶液中溶解碳的总浓度可以不同。
6.3
碳酸氢钠解离: \[ \ce{NaHCO3(aq) -> Na+(aq) + HCO3-(aq)}. \]
因此 \([\ce{Na+}]=0.0100~\mathrm{M}\)。忽略水的电离,电荷守恒关系为 \[ 0.0100+h=b+2d. \]
由于 \(h\) 和 \(d\) 与 \(0.0100~\mathrm{M}\) 相比很小, \[ b\simeq0.0100~\mathrm{M}. \]
由第一步酸电离平衡得 \[ h=\frac{K_{a1}c}{b} \simeq\frac{(2.34423\times10^{-7})(0.0750673)}{0.0100}. \]
因此, \[ \boxed{[\ce{H+}]=1.76\times10^{-6}~\mathrm{M}}. \]
由此得 \(d=K_{a2}b/h\simeq1.30\times10^{-7}~\mathrm{M}\),证实电荷守恒关系中的两个修正项均很小。
6.4
碳酸钠的每个化学式单位提供两个钠离子: \[ \ce{Na2CO3(aq) -> 2Na+(aq) + CO3^2-(aq)}. \]
碳酸根与溶解的二氧化碳反应: \[ \ce{CO3^2-(aq) + CO2(aq) + H2O(l) <=> 2HCO3-(aq)}. \]
该转化的平衡常数为 \[ \frac{K_{a1}}{K_{a2}}=10^{4.010}, \] 因此在指定条件下,碳酸氢根占优势。
此处 \([\ce{Na+}]=0.0200~\mathrm{M}\)。按照题意忽略水的电离, \[ 0.0200+h=b+2d, \] 得 \(b\simeq0.0200~\mathrm{M}\)。
因此, \[ h\simeq\frac{K_{a1}c}{0.0200} =\frac{(2.34423\times10^{-7})(0.0750673)}{0.0200}, \] 且 \[ \boxed{[\ce{H+}]=8.80\times10^{-7}~\mathrm{M}}. \]
所得碳酸根浓度约为 \(5.21\times10^{-7}~\mathrm{M}\),足够小,说明上述近似成立。
6.5
碳酸钙按下式溶解 \[ \ce{CaCO3(s) <=> Ca^2+(aq) + CO3^2-(aq)}. \]
每溶解一摩尔碳酸钙,就提供一摩尔钙离子。利用 \(M(\ce{CaCO3})\simeq100.1~\mathrm{g\,mol^{-1}}\) 和 \(100~\mathrm{cm^3}=0.100~\mathrm{dm^3}\), \[ [\ce{Ca^2+}] =\frac{0.0012~\mathrm{g}} {(100.1~\mathrm{g\,mol^{-1}})(0.100~\mathrm{dm^3})}. \]
因此, \[ \boxed{[\ce{Ca^2+}]=1.2\times10^{-4}~\mathrm{mol\,dm^{-3}}}. \]
溶解的碳酸根通过酸碱反应在不同物种之间的重新分配不会改变这一钙的物料守恒关系。
6.6
给定的平衡为 \[ \ce{CaCO3(s) + CO2(aq) + H2O(l) <=> Ca^2+(aq) + 2HCO3-(aq)}, \] 其平衡常数为 \[ K=\frac{[\ce{Ca^2+}]b^2}{c}=10^{-4.25}. \]
令 \(s=[\ce{Ca^2+}]\)。由电荷守恒得 \[ 2s+h=b+2d. \]
碳酸氢根是主要的阴离子,因此 \(b\simeq2s\)。于是, \[ K\simeq\frac{s(2s)^2}{c}=\frac{4s^3}{c}, \] 且 \[ s=\left(\frac{Kc}{4}\right)^{1/3} =\left(\frac{10^{-4.25}(0.0750673)}{4}\right)^{1/3} =0.0101812~\mathrm{M}. \]
因此, \[ \boxed{[\ce{Ca^2+}]=1.02\times10^{-2}~\mathrm{M}}. \]
相应的氢离子浓度约为 \(8.64\times10^{-7}~\mathrm{M}\),而碳酸根浓度与 \(b\simeq0.0204~\mathrm{M}\) 相比也可忽略。
6.7
吸收的二氧化碳中和氢氧根,总转化为 \[ \ce{Ca(OH)2(aq) + 2CO2(aq) -> Ca^2+(aq) + 2HCO3-(aq)}. \]
若初始的钙全部保持溶解状态,则近似有 \[ [\ce{Ca^2+}]=0.0150~\mathrm{M}, \qquad b=0.0300~\mathrm{M}. \]
6.6 中平衡的反应商将为 \[ Q=\frac{(0.0150)(0.0300)^2}{0.0750673} =1.80\times10^{-4}. \]
由于 \[ Q>K=5.62\times10^{-5}, \] 平衡向生成固态碳酸钙的方向移动。部分钙以沉淀形式析出,余下溶液达到 6.6 中计算的饱和浓度: \[ \boxed{[\ce{Ca^2+}]=1.02\times10^{-2}~\mathrm{M}}. \]
每升溶液中约有 \(0.0150-0.01018=0.0048~\mathrm{mol}\) 碳酸钙沉淀析出,证实仍有固相存在。
6.8
稀释至原体积的两倍后,钙的总浓度降至 \[ C_{\mathrm{Ca,tot}}=\frac{0.0150}{2} =0.00750~\mathrm{M}. \]
若这些钙全部溶解,则 \(b\simeq0.0150~\mathrm{M}\),且 \[ Q=\frac{(0.00750)(0.0150)^2}{0.0750673} =2.25\times10^{-5}<K. \]
因此,最终溶液对于碳酸钙而言是不饱和的。通入气体过程中形成的任何碳酸钙,均可在达到最终平衡之前完全溶解。
所有钙均留在溶液中: \[ \boxed{[\ce{Ca^2+}]=7.50\times10^{-3}~\mathrm{M}}. \]
6.9
将下列平衡相加: \[ \begin{aligned} \ce{CaCO3(s) &<=> Ca^2+(aq) + CO3^2-(aq)} && K_{\mathrm{sp}},\\ \ce{CO2(aq) + H2O(l) &<=> HCO3-(aq) + H+(aq)} && K_{a1},\\ \ce{CO3^2-(aq) + H+(aq) &<=> HCO3-(aq)} && \frac{1}{K_{a2}}. \end{aligned} \]
相加后得到 6.6 之前给出的反应。因此, \[ K=K_{\mathrm{sp}}\frac{K_{a1}}{K_{a2}}, \] 所以 \[ K_{\mathrm{sp}} =K\frac{K_{a2}}{K_{a1}} =10^{-4.25}\frac{10^{-10.640}}{10^{-6.630}} =10^{-8.260}. \]
因此, \[ \boxed{K_{\mathrm{sp}}\approx5.5\times10^{-9}}. \]
在浓度近似下,相应的饱和浓度积为 \[ [\ce{Ca^2+}][\ce{CO3^2-}] =5.5\times10^{-9}~\mathrm{mol^2\,dm^{-6}}. \]
碳酸根的水解, \[ \ce{CO3^2-(aq) + H2O(l) <=> HCO3-(aq) + OH-(aq)}, \] 使游离碳酸根浓度小于 6.5 中的总摩尔溶解度。因此,不能简单地将该溶解度平方来求得 \(K_{\mathrm{sp}}\)。
解答已与官方解答核对。
IChO 2000 · Теоретическая задача 6
Жёсткая вода
В Дании подпочвенные породы состоят главным образом из известняка. При контакте с грунтовыми водами, содержащими углекислый газ, часть карбоната кальция растворяется с образованием гидрокарбоната кальция. В результате такие грунтовые воды являются жёсткими, и при их использовании в качестве водопроводной воды высокое содержание гидрокарбоната кальция вызывает проблемы из-за выпадения осадка карбоната кальция, например на кухне и в ванной комнате.
Углекислый газ, \(\ce{CO2}\), в водном растворе проявляет свойства двухосновной кислоты. Значения \(pK_a\) при \(0~^\circ\mathrm{C}\):

Во всех следующих заданиях изменением объёма жидкости при растворении \(\ce{CO2}\) можно пренебречь. Температуру следует считать равной \(0~^\circ\mathrm{C}\).
6.1 Общая концентрация углекислого газа в воде, насыщенной углекислым газом при его парциальном давлении \(1.00~\mathrm{bar}\), составляет \(0.0752~\mathrm{mol\,dm^{-3}}\). Рассчитайте объём газообразного диоксида углерода, который может раствориться в одном литре воды при этих условиях.
Газовая постоянная \[ R=8.314~\mathrm{J\,mol^{-1}\,K^{-1}} =0.08314~\mathrm{L\,bar\,mol^{-1}\,K^{-1}} \]
6.2 Рассчитайте равновесную концентрацию ионов водорода и равновесную концентрацию \(\ce{CO2}\) в воде, насыщенной углекислым газом при его парциальном давлении \(1.00~\mathrm{bar}\).
6.3 Рассчитайте равновесную концентрацию ионов водорода в \(0.0100~\mathrm{M}\) водном растворе гидрокарбоната натрия, насыщенном углекислым газом при его парциальном давлении \(1.00~\mathrm{bar}\).
6.4 Рассчитайте равновесную концентрацию ионов водорода в \(0.0100~\mathrm{M}\) водном растворе карбоната натрия, насыщенном углекислым газом при его парциальном давлении \(1.00~\mathrm{bar}\). Пренебрегите диссоциацией воды.
6.5 Растворимость карбоната кальция в воде при \(0~^\circ\mathrm{C}\) составляет \(0.0012~\mathrm{g}\) на \(100~\mathrm{cm^3}\) воды. Рассчитайте концентрацию ионов кальция в насыщенном водном растворе карбоната кальция.
Жёсткие грунтовые воды в Дании образуются при контакте воды с известняком в подпочвенных породах, который реагирует с углекислым газом, растворённым в грунтовой воде, в соответствии с уравнением равновесия:

Константа равновесия \(K\) этой реакции при \(0~^\circ\mathrm{C}\) равна \(10^{-4.25}\).
6.6 Рассчитайте концентрацию ионов кальция в воде, находящейся в равновесии с карбонатом кальция в атмосфере с парциальным давлением углекислого газа \(1.00~\mathrm{bar}\).
6.7 Раствор гидроксида кальция с концентрацией \(0.0150~\mathrm{M}\) насыщают газообразным диоксидом углерода при его парциальном давлении \(1.00~\mathrm{bar}\). Рассчитайте концентрацию ионов кальция в растворе, рассматривая уравнение равновесия, приведённое выше в связи с заданием 6.6.
6.8 Раствор гидроксида кальция, указанный в задании 6.7, разбавляют водой до удвоенного объёма перед насыщением газообразным диоксидом углерода при его парциальном давлении \(1.00~\mathrm{bar}\). Рассчитайте концентрацию ионов кальция в полученном растворе, насыщенном \(\ce{CO2}\).
6.9 Рассчитайте произведение растворимости карбоната кальция по приведённым выше данным.
Условие переведено с официального английского текста.
Ответы
Здесь \(\mathrm{M}=\mathrm{mol\,dm^{-3}}\).
- 6.1: \(V=1.71~\mathrm{L}\) газообразного диоксида углерода при \(0~^\circ\mathrm{C}\) и \(1.00~\mathrm{bar}\).
- 6.2: \([\ce{H+}]=1.33\times10^{-4}~\mathrm{M}\); \([\ce{CO2(aq)}]=0.0751~\mathrm{M}\).
- 6.3: \([\ce{H+}]=1.76\times10^{-6}~\mathrm{M}\).
- 6.4: \([\ce{H+}]=8.80\times10^{-7}~\mathrm{M}\).
- 6.5: \([\ce{Ca^2+}]=1.2\times10^{-4}~\mathrm{M}\).
- 6.6: \([\ce{Ca^2+}]=1.02\times10^{-2}~\mathrm{M}\).
- 6.7: \([\ce{Ca^2+}]=1.02\times10^{-2}~\mathrm{M}\); часть карбоната кальция выпадает в осадок.
- 6.8: \([\ce{Ca^2+}]=7.50\times10^{-3}~\mathrm{M}\); при установлении конечного равновесия весь кальций остаётся в растворе.
- 6.9: \(K_{\mathrm{sp}}=10^{-8.26}\approx5.5\times10^{-9}\), при использовании стандартного состояния \(1~\mathrm{M}\).
Решение
Ниже перечислены химические частицы и вещества и их SMILES. Записи SMILES солей, в которых компоненты разделены точками, описывают ионный состав; они не отражают кристаллическую решётку или сольватацию в воде.
| Частица или вещество | SMILES |
|---|---|
| Диоксид углерода, \(\ce{CO2}\) | O=C=O |
| Вода, \(\ce{H2O}\) | O |
| Ион водорода, \(\ce{H+}\) | [H+] |
| Гидрокарбонат-ион, \(\ce{HCO3-}\) | O=C([O-])O |
| Карбонат-ион, \(\ce{CO3^2-}\) | O=C([O-])[O-] |
| Гидроксид-ион, \(\ce{OH-}\) | [OH-] |
| Ион натрия, \(\ce{Na+}\) | [Na+] |
| Ион кальция, \(\ce{Ca^2+}\) | [Ca+2] |
| Гидрокарбонат натрия, \(\ce{NaHCO3}\) | [Na+].O=C([O-])O |
| Карбонат натрия, \(\ce{Na2CO3}\) | [Na+].[Na+].O=C([O-])[O-] |
| Карбонат кальция, \(\ce{CaCO3}\) | [Ca+2].O=C([O-])[O-] |
| Гидроксид кальция, \(\ce{Ca(OH)2}\) | [Ca+2].[OH-].[OH-] |
| Гидрокарбонат кальция, \(\ce{Ca(HCO3)2}\) | [Ca+2].O=C([O-])O.O=C([O-])O |
Для растворённых частиц используем концентрационное приближение, а активности чистой жидкой воды и твёрдого карбоната кальция принимаем равными единице. Множители, соответствующие стандартной концентрации, в выражениях констант равновесия опущены.
6.1
Количество вещества углекислого газа, поглощённого одним литром воды, составляет \[ n=(0.0752~\mathrm{mol\,L^{-1}})(1.00~\mathrm{L}) =0.0752~\mathrm{mol}. \]
Используя уравнение состояния идеального газа при \(T=273.15~\mathrm{K}\), получаем \[ V=\frac{nRT}{p} =\frac{(0.0752)(0.08314)(273.15)}{1.00}~\mathrm{L} =1.70777~\mathrm{L}. \]
Таким образом, \[ \boxed{V=1.71~\mathrm{L}}. \]
6.2
Два равновесия кислотной диссоциации имеют вид \[ \ce{CO2(aq) + H2O(l) <=> HCO3-(aq) + H+(aq)}, \qquad K_{a1}=10^{-6.630}=2.344\times10^{-7}, \] \[ \ce{HCO3-(aq) <=> CO3^2-(aq) + H+(aq)}, \qquad K_{a2}=10^{-10.640}=2.291\times10^{-11}. \]
Введём обозначения \[ h=[\ce{H+}],\qquad c=[\ce{CO2(aq)}],\qquad b=[\ce{HCO3-}],\qquad d=[\ce{CO3^2-}]. \]
Тогда \[ K_{a1}=\frac{hb}{c}, \qquad K_{a2}=\frac{hd}{b}. \]
Общая концентрация растворённого углерода равна \[ C_T=c+b+d=0.0752~\mathrm{M}. \]
В этом кислом растворе ионизацией воды и второй ступенью диссоциации можно пренебречь. Следовательно, из условия электронейтральности получаем \(b\simeq h\), а из материального баланса по углероду — \(c\simeq C_T-h\). Поэтому \[ K_{a1}=\frac{h^2}{C_T-h}, \] и \[ h=\frac{-K_{a1}+\sqrt{K_{a1}^2+4K_{a1}C_T}}{2} =1.32656\times10^{-4}~\mathrm{M}. \]
Отсюда \[ c=0.0752-0.000132656 =0.0750673~\mathrm{M}. \]
Доля карбонат-ионов, которой мы пренебрегли, действительно ничтожно мала: \[ \frac{d}{b}=\frac{K_{a2}}{h}=1.73\times10^{-7}. \]
Таким образом, \[ \boxed{[\ce{H+}]=1.33\times10^{-4}~\mathrm{M}}, \qquad \boxed{[\ce{CO2(aq)}]=0.0751~\mathrm{M}}. \]
При постоянных температуре и парциальном давлении углекислого газа закон Генри задаёт концентрацию молекулярного \(\ce{CO2(aq)}\). Поэтому для рассматриваемых далее растворов, насыщенных углекислым газом при \(1.00~\mathrm{bar}\), используем \(c=0.0750673~\mathrm{M}\). Их общие концентрации растворённого углерода могут различаться.
6.3
Гидрокарбонат натрия диссоциирует: \[ \ce{NaHCO3(aq) -> Na+(aq) + HCO3-(aq)}. \]
Таким образом, \([\ce{Na+}]=0.0100~\mathrm{M}\). Если пренебречь ионизацией воды, условие электронейтральности имеет вид \[ 0.0100+h=b+2d. \]
Поскольку \(h\) и \(d\) малы по сравнению с \(0.0100~\mathrm{M}\), \[ b\simeq0.0100~\mathrm{M}. \]
Из первого равновесия кислотной диссоциации получаем \[ h=\frac{K_{a1}c}{b} \simeq\frac{(2.34423\times10^{-7})(0.0750673)}{0.0100}. \]
Следовательно, \[ \boxed{[\ce{H+}]=1.76\times10^{-6}~\mathrm{M}}. \]
Отсюда \(d=K_{a2}b/h\simeq1.30\times10^{-7}~\mathrm{M}\), что подтверждает малость обоих поправочных членов в уравнении электронейтральности.
6.4
Карбонат натрия даёт два иона натрия на одну формульную единицу: \[ \ce{Na2CO3(aq) -> 2Na+(aq) + CO3^2-(aq)}. \]
Карбонат-ион реагирует с растворённым углекислым газом: \[ \ce{CO3^2-(aq) + CO2(aq) + H2O(l) <=> 2HCO3-(aq)}. \]
Константа равновесия этого превращения равна \[ \frac{K_{a1}}{K_{a2}}=10^{4.010}, \] поэтому в указанных условиях преобладает гидрокарбонат-ион.
Здесь \([\ce{Na+}]=0.0200~\mathrm{M}\). Пренебрегая диссоциацией воды, как указано в условии, получаем \[ 0.0200+h=b+2d, \] откуда \(b\simeq0.0200~\mathrm{M}\).
Таким образом, \[ h\simeq\frac{K_{a1}c}{0.0200} =\frac{(2.34423\times10^{-7})(0.0750673)}{0.0200}, \] и \[ \boxed{[\ce{H+}]=8.80\times10^{-7}~\mathrm{M}}. \]
Полученная концентрация карбонат-ионов составляет приблизительно \(5.21\times10^{-7}~\mathrm{M}\) и достаточно мала, чтобы подтвердить справедливость приближения.
6.5
Карбонат кальция растворяется в соответствии с уравнением \[ \ce{CaCO3(s) <=> Ca^2+(aq) + CO3^2-(aq)}. \]
Каждый моль растворившегося вещества даёт один моль ионов кальция. Используя \(M(\ce{CaCO3})\simeq100.1~\mathrm{g\,mol^{-1}}\) и \(100~\mathrm{cm^3}=0.100~\mathrm{dm^3}\), получаем \[ [\ce{Ca^2+}] =\frac{0.0012~\mathrm{g}} {(100.1~\mathrm{g\,mol^{-1}})(0.100~\mathrm{dm^3})}. \]
Следовательно, \[ \boxed{[\ce{Ca^2+}]=1.2\times10^{-4}~\mathrm{mol\,dm^{-3}}}. \]
Кислотно-основное перераспределение растворённых карбонатных форм не изменяет этот материальный баланс по кальцию.
6.6
Данное в условии равновесие имеет вид \[ \ce{CaCO3(s) + CO2(aq) + H2O(l) <=> Ca^2+(aq) + 2HCO3-(aq)}, \] причём \[ K=\frac{[\ce{Ca^2+}]b^2}{c}=10^{-4.25}. \]
Пусть \(s=[\ce{Ca^2+}]\). Условие электронейтральности даёт \[ 2s+h=b+2d. \]
Преобладающим анионом является гидрокарбонат-ион, поэтому \(b\simeq2s\). Следовательно, \[ K\simeq\frac{s(2s)^2}{c}=\frac{4s^3}{c}, \] и \[ s=\left(\frac{Kc}{4}\right)^{1/3} =\left(\frac{10^{-4.25}(0.0750673)}{4}\right)^{1/3} =0.0101812~\mathrm{M}. \]
Таким образом, \[ \boxed{[\ce{Ca^2+}]=1.02\times10^{-2}~\mathrm{M}}. \]
Соответствующая концентрация ионов водорода составляет около \(8.64\times10^{-7}~\mathrm{M}\), а концентрация карбонат-ионов также пренебрежимо мала по сравнению с \(b\simeq0.0204~\mathrm{M}\).
6.7
Поглощённый углекислый газ нейтрализует гидроксид-ионы, что приводит к суммарному превращению \[ \ce{Ca(OH)2(aq) + 2CO2(aq) -> Ca^2+(aq) + 2HCO3-(aq)}. \]
Если бы весь исходный кальций оставался в растворе, то приближённо \[ [\ce{Ca^2+}]=0.0150~\mathrm{M}, \qquad b=0.0300~\mathrm{M}. \]
Реакционное отношение для равновесия из 6.6 составило бы \[ Q=\frac{(0.0150)(0.0300)^2}{0.0750673} =1.80\times10^{-4}. \]
Поскольку \[ Q>K=5.62\times10^{-5}, \] равновесие смещается в сторону образования твёрдого карбоната кальция. Часть кальция выпадает в осадок, а концентрация в оставшемся растворе достигает концентрации насыщения, рассчитанной в 6.6: \[ \boxed{[\ce{Ca^2+}]=1.02\times10^{-2}~\mathrm{M}}. \]
На каждый литр выпадает в осадок приблизительно \(0.0150-0.01018=0.0048~\mathrm{mol}\) карбоната кальция, что подтверждает наличие твёрдой фазы.
6.8
Разбавление до удвоенного объёма снижает общую концентрацию кальция до \[ C_{\mathrm{Ca,tot}}=\frac{0.0150}{2} =0.00750~\mathrm{M}. \]
Если весь этот кальций находится в растворе, \(b\simeq0.0150~\mathrm{M}\), и \[ Q=\frac{(0.00750)(0.0150)^2}{0.0750673} =2.25\times10^{-5}<K. \]
Таким образом, конечный раствор ненасыщен по отношению к карбонату кальция. Весь карбонат кальция, образовавшийся при добавлении газа, может полностью раствориться до установления конечного равновесия.
Весь имеющийся кальций остаётся в растворе: \[ \boxed{[\ce{Ca^2+}]=7.50\times10^{-3}~\mathrm{M}}. \]
6.9
Сложим следующие равновесия: \[ \begin{aligned} \ce{CaCO3(s) &<=> Ca^2+(aq) + CO3^2-(aq)} && K_{\mathrm{sp}},\\ \ce{CO2(aq) + H2O(l) &<=> HCO3-(aq) + H+(aq)} && K_{a1},\\ \ce{CO3^2-(aq) + H+(aq) &<=> HCO3-(aq)} && \frac{1}{K_{a2}}. \end{aligned} \]
Их сумма представляет собой реакцию, приведённую перед 6.6. Следовательно, \[ K=K_{\mathrm{sp}}\frac{K_{a1}}{K_{a2}}, \] откуда \[ K_{\mathrm{sp}} =K\frac{K_{a2}}{K_{a1}} =10^{-4.25}\frac{10^{-10.640}}{10^{-6.630}} =10^{-8.260}. \]
Таким образом, \[ \boxed{K_{\mathrm{sp}}\approx5.5\times10^{-9}}. \]
В концентрационном приближении соответствующее произведение концентраций в насыщенном растворе равно \[ [\ce{Ca^2+}][\ce{CO3^2-}] =5.5\times10^{-9}~\mathrm{mol^2\,dm^{-6}}. \]
Гидролиз карбонат-иона, \[ \ce{CO3^2-(aq) + H2O(l) <=> HCO3-(aq) + OH-(aq)}, \] приводит к тому, что концентрация свободных карбонат-ионов оказывается меньше общей молярной растворимости из 6.5. Следовательно, эту растворимость нельзя просто возвести в квадрат, чтобы получить \(K_{\mathrm{sp}}\).
Решение проверено по официальному решению.
IChO 2000 · مسألة نظرية 6
الماء العسر
تتكون الطبقات التحتية للتربة في الدنمارك أساسًا من الحجر الجيري. وعند ملامستها للمياه الجوفية المحتوية على ثاني أكسيد الكربون، يذوب بعض كربونات الكالسيوم على هيئة هيدروجين كربونات الكالسيوم. ونتيجةً لذلك، تكون هذه المياه الجوفية عسرة، وعند استخدامها بوصفها مياه الصنبور، يسبب محتواها المرتفع من هيدروجين كربونات الكالسيوم مشكلات بسبب ترسب كربونات الكالسيوم في أماكن مثل المطابخ والحمامات.
ثاني أكسيد الكربون، \(\ce{CO2}\)، حمض ثنائي البروتون في المحلول المائي. وقيم \(pK_a\) عند \(0~^\circ\mathrm{C}\) هي:

يمكن إهمال تغير حجم السائل المصاحب لذوبان \(\ce{CO2}\) في جميع المسائل الآتية. وتُعد درجة الحرارة مساويةً لـ \(0~^\circ\mathrm{C}\).
6.1 يبلغ التركيز الكلي لثاني أكسيد الكربون في الماء المشبع بثاني أكسيد الكربون عند ضغط جزئي لثاني أكسيد الكربون مقداره \(1.00~\mathrm{bar}\) قيمةً قدرها \(0.0752~\mathrm{mol\,dm^{-3}}\). احسب حجم غاز ثاني أكسيد الكربون الذي يمكن إذابته في لتر واحد من الماء في هذه الظروف.
ثابت الغازات \[ R=8.314~\mathrm{J\,mol^{-1}\,K^{-1}} =0.08314~\mathrm{L\,bar\,mol^{-1}\,K^{-1}} \]
6.2 احسب تركيز أيونات الهيدروجين عند الاتزان وتركيز \(\ce{CO2}\) عند الاتزان في الماء المشبع بثاني أكسيد الكربون عند ضغط جزئي لثاني أكسيد الكربون مقداره \(1.00~\mathrm{bar}\).
6.3 احسب تركيز أيونات الهيدروجين عند الاتزان في محلول مائي من هيدروجين كربونات الصوديوم تركيزه \(0.0100~\mathrm{M}\)، مشبع بثاني أكسيد الكربون عند ضغط جزئي لثاني أكسيد الكربون مقداره \(1.00~\mathrm{bar}\).
6.4 احسب تركيز أيونات الهيدروجين عند الاتزان في محلول مائي من كربونات الصوديوم تركيزه \(0.0100~\mathrm{M}\)، مشبع بثاني أكسيد الكربون عند ضغط جزئي لثاني أكسيد الكربون مقداره \(1.00~\mathrm{bar}\). أهمل تأثيرات تفكك الماء.
6.5 تبلغ ذوبانية كربونات الكالسيوم في الماء عند \(0~^\circ\mathrm{C}\) مقدارًا قدره \(0.0012~\mathrm{g}\) لكل \(100~\mathrm{cm^3}\) من الماء. احسب تركيز أيونات الكالسيوم في محلول مشبع من كربونات الكالسيوم في الماء.
تتكون المياه الجوفية العسرة في الدنمارك من خلال ملامسة الماء للحجر الجيري في الطبقات التحتية للتربة، الذي يتفاعل مع ثاني أكسيد الكربون المذاب في المياه الجوفية وفق معادلة الاتزان:

ثابت الاتزان، \(K\)، لهذا التفاعل هو \(10^{-4.25}\) عند \(0~^\circ\mathrm{C}\).
6.6 احسب تركيز أيونات الكالسيوم في الماء المتزن مع كربونات الكالسيوم في جو يبلغ فيه الضغط الجزئي لثاني أكسيد الكربون \(1.00~\mathrm{bar}\).
6.7 يُشبَع محلول من هيدروكسيد الكالسيوم تركيزه \(0.0150~\mathrm{M}\) بغاز ثاني أكسيد الكربون عند ضغط جزئي مقداره \(1.00~\mathrm{bar}\). احسب تركيز أيونات الكالسيوم في المحلول بالنظر إلى معادلة الاتزان المعطاة أعلاه والمتعلقة بالمسألة 6.6.
6.8 يُخفَّف محلول هيدروكسيد الكالسيوم المشار إليه في المسألة 6.7 بالماء إلى ضعف حجمه قبل إشباعه بغاز ثاني أكسيد الكربون عند ضغط جزئي مقداره \(1.00~\mathrm{bar}\). احسب تركيز أيونات الكالسيوم في المحلول الناتج المشبع بـ \(\ce{CO2}\).
6.9 احسب ثابت حاصل الإذابة لكربونات الكالسيوم من المعطيات الواردة أعلاه.
نص المسألة مترجم عن النص الإنجليزي الرسمي.
الإجابات
هنا، \(\mathrm{M}=\mathrm{mol\,dm^{-3}}\).
- 6.1: \(V=1.71~\mathrm{L}\) من غاز ثاني أكسيد الكربون عند \(0~^\circ\mathrm{C}\) و\(1.00~\mathrm{bar}\).
- 6.2: \([\ce{H+}]=1.33\times10^{-4}~\mathrm{M}\)؛ \([\ce{CO2(aq)}]=0.0751~\mathrm{M}\).
- 6.3: \([\ce{H+}]=1.76\times10^{-6}~\mathrm{M}\).
- 6.4: \([\ce{H+}]=8.80\times10^{-7}~\mathrm{M}\).
- 6.5: \([\ce{Ca^2+}]=1.2\times10^{-4}~\mathrm{M}\).
- 6.6: \([\ce{Ca^2+}]=1.02\times10^{-2}~\mathrm{M}\).
- 6.7: \([\ce{Ca^2+}]=1.02\times10^{-2}~\mathrm{M}\)؛ يترسب بعض كربونات الكالسيوم.
- 6.8: \([\ce{Ca^2+}]=7.50\times10^{-3}~\mathrm{M}\)؛ يبقى الكالسيوم كله مذابًا عند الاتزان النهائي.
- 6.9: \(K_{\mathrm{sp}}=10^{-8.26}\approx5.5\times10^{-9}\)، باستخدام الحالة القياسية \(1~\mathrm{M}\).
الحل
ترد الأنواع الكيميائية وتمثيلاتها بصيغة SMILES أدناه. تصف تمثيلات SMILES للأملاح المفصولة بنقاط التركيب الأيوني؛ وهي لا ترمز إلى الشبكات البلورية أو الاستذواب في الماء.
| النوع الكيميائي | SMILES |
|---|---|
| ثاني أكسيد الكربون، \(\ce{CO2}\) | O=C=O |
| الماء، \(\ce{H2O}\) | O |
| أيون الهيدروجين، \(\ce{H+}\) | [H+] |
| أيون هيدروجين الكربونات، \(\ce{HCO3-}\) | O=C([O-])O |
| أيون الكربونات، \(\ce{CO3^2-}\) | O=C([O-])[O-] |
| أيون الهيدروكسيد، \(\ce{OH-}\) | [OH-] |
| أيون الصوديوم، \(\ce{Na+}\) | [Na+] |
| أيون الكالسيوم، \(\ce{Ca^2+}\) | [Ca+2] |
| هيدروجين كربونات الصوديوم، \(\ce{NaHCO3}\) | [Na+].O=C([O-])O |
| كربونات الصوديوم، \(\ce{Na2CO3}\) | [Na+].[Na+].O=C([O-])[O-] |
| كربونات الكالسيوم، \(\ce{CaCO3}\) | [Ca+2].O=C([O-])[O-] |
| هيدروكسيد الكالسيوم، \(\ce{Ca(OH)2}\) | [Ca+2].[OH-].[OH-] |
| هيدروجين كربونات الكالسيوم، \(\ce{Ca(HCO3)2}\) | [Ca+2].O=C([O-])O.O=C([O-])O |
نستخدم تقريب التراكيز للأنواع المذابة، ونعد الفعالية مساويةً للواحد لكل من الماء السائل النقي وكربونات الكالسيوم الصلبة. ولا نُظهر عوامل تركيز الحالة القياسية في تعبيرات الاتزان.
6.1
كمية ثاني أكسيد الكربون التي يمتصها لتر واحد من الماء هي \[ n=(0.0752~\mathrm{mol\,L^{-1}})(1.00~\mathrm{L}) =0.0752~\mathrm{mol}. \]
باستخدام معادلة الغاز المثالي عند \(T=273.15~\mathrm{K}\)، \[ V=\frac{nRT}{p} =\frac{(0.0752)(0.08314)(273.15)}{1.00}~\mathrm{L} =1.70777~\mathrm{L}. \]
إذن، \[ \boxed{V=1.71~\mathrm{L}}. \]
6.2
اتزانا تفكك الحمض هما \[ \ce{CO2(aq) + H2O(l) <=> HCO3-(aq) + H+(aq)}, \qquad K_{a1}=10^{-6.630}=2.344\times10^{-7}, \] \[ \ce{HCO3-(aq) <=> CO3^2-(aq) + H+(aq)}, \qquad K_{a2}=10^{-10.640}=2.291\times10^{-11}. \]
لنعرّف \[ h=[\ce{H+}],\qquad c=[\ce{CO2(aq)}],\qquad b=[\ce{HCO3-}],\qquad d=[\ce{CO3^2-}]. \]
عندئذٍ \[ K_{a1}=\frac{hb}{c}, \qquad K_{a2}=\frac{hd}{b}. \]
التركيز الكلي للكربون المذاب هو \[ C_T=c+b+d=0.0752~\mathrm{M}. \]
يمكن إهمال تأين الماء والتفكك الثاني في هذا المحلول الحمضي. وبناءً على ذلك، تعطي موازنة الشحنة \(b\simeq h\)، بينما تعطي موازنة الكربون \(c\simeq C_T-h\). ومن ثم، \[ K_{a1}=\frac{h^2}{C_T-h}, \] و \[ h=\frac{-K_{a1}+\sqrt{K_{a1}^2+4K_{a1}C_T}}{2} =1.32656\times10^{-4}~\mathrm{M}. \]
وعليه \[ c=0.0752-0.000132656 =0.0750673~\mathrm{M}. \]
نسبة الكربونات المهملة ضئيلة بالفعل: \[ \frac{d}{b}=\frac{K_{a2}}{h}=1.73\times10^{-7}. \]
إذن، \[ \boxed{[\ce{H+}]=1.33\times10^{-4}~\mathrm{M}}, \qquad \boxed{[\ce{CO2(aq)}]=0.0751~\mathrm{M}}. \]
عند ثبات درجة الحرارة والضغط الجزئي لثاني أكسيد الكربون، يحدد قانون هنري تركيز \(\ce{CO2(aq)}\) الجزيئي. ولذلك نستخدم \(c=0.0750673~\mathrm{M}\) في المحاليل اللاحقة المشبعة بثاني أكسيد الكربون عند \(1.00~\mathrm{bar}\). وقد تختلف تراكيز الكربون المذاب الكلية فيها.
6.3
تتفكك هيدروجين كربونات الصوديوم: \[ \ce{NaHCO3(aq) -> Na+(aq) + HCO3-(aq)}. \]
إذن \([\ce{Na+}]=0.0100~\mathrm{M}\). وبإهمال تأين الماء، تكون موازنة الشحنة \[ 0.0100+h=b+2d. \]
بما أن \(h\) و\(d\) صغيران مقارنةً بـ \(0.0100~\mathrm{M}\)، فإن \[ b\simeq0.0100~\mathrm{M}. \]
يعطي اتزان التفكك الحمضي الأول \[ h=\frac{K_{a1}c}{b} \simeq\frac{(2.34423\times10^{-7})(0.0750673)}{0.0100}. \]
ومن ثم، \[ \boxed{[\ce{H+}]=1.76\times10^{-6}~\mathrm{M}}. \]
يعطي ذلك \(d=K_{a2}b/h\simeq1.30\times10^{-7}~\mathrm{M}\)، مما يؤكد أن حدي التصحيح في موازنة الشحنة صغيران.
6.4
تعطي كربونات الصوديوم أيوني صوديوم لكل وحدة صيغة: \[ \ce{Na2CO3(aq) -> 2Na+(aq) + CO3^2-(aq)}. \]
تتفاعل الكربونات مع ثاني أكسيد الكربون المذاب: \[ \ce{CO3^2-(aq) + CO2(aq) + H2O(l) <=> 2HCO3-(aq)}. \]
ثابت الاتزان لهذا التحول هو \[ \frac{K_{a1}}{K_{a2}}=10^{4.010}, \] لذلك تسود هيدروجين الكربونات في الظروف المحددة.
هنا \([\ce{Na+}]=0.0200~\mathrm{M}\). وبإهمال تفكك الماء حسب التعليمات، \[ 0.0200+h=b+2d, \] فنحصل على \(b\simeq0.0200~\mathrm{M}\).
إذن، \[ h\simeq\frac{K_{a1}c}{0.0200} =\frac{(2.34423\times10^{-7})(0.0750673)}{0.0200}, \] و \[ \boxed{[\ce{H+}]=8.80\times10^{-7}~\mathrm{M}}. \]
يبلغ تركيز الكربونات الناتج نحو \(5.21\times10^{-7}~\mathrm{M}\)، وهو صغير بما يكفي لتأكيد صحة التقريب.
6.5
تذوب كربونات الكالسيوم وفقًا للمعادلة \[ \ce{CaCO3(s) <=> Ca^2+(aq) + CO3^2-(aq)}. \]
يعطي كل مول مذاب مولًا واحدًا من أيونات الكالسيوم. وباستخدام \(M(\ce{CaCO3})\simeq100.1~\mathrm{g\,mol^{-1}}\) و \(100~\mathrm{cm^3}=0.100~\mathrm{dm^3}\)، \[ [\ce{Ca^2+}] =\frac{0.0012~\mathrm{g}} {(100.1~\mathrm{g\,mol^{-1}})(0.100~\mathrm{dm^3})}. \]
ومن ثم، \[ \boxed{[\ce{Ca^2+}]=1.2\times10^{-4}~\mathrm{mol\,dm^{-3}}}. \]
لا تؤدي إعادة توزيع الكربونات المذابة بفعل اتزانات الحمض والقاعدة إلى تغيير موازنة الكالسيوم هذه.
6.6
الاتزان المعطى هو \[ \ce{CaCO3(s) + CO2(aq) + H2O(l) <=> Ca^2+(aq) + 2HCO3-(aq)}, \] حيث \[ K=\frac{[\ce{Ca^2+}]b^2}{c}=10^{-4.25}. \]
لتكن \(s=[\ce{Ca^2+}]\). تعطي موازنة الشحنة \[ 2s+h=b+2d. \]
أيون هيدروجين الكربونات هو الأنيون السائد، ولذلك \(b\simeq2s\). وبناءً على ذلك، \[ K\simeq\frac{s(2s)^2}{c}=\frac{4s^3}{c}, \] و \[ s=\left(\frac{Kc}{4}\right)^{1/3} =\left(\frac{10^{-4.25}(0.0750673)}{4}\right)^{1/3} =0.0101812~\mathrm{M}. \]
إذن، \[ \boxed{[\ce{Ca^2+}]=1.02\times10^{-2}~\mathrm{M}}. \]
يبلغ تركيز أيونات الهيدروجين المقابل نحو \(8.64\times10^{-7}~\mathrm{M}\)، كما يمكن إهمال الكربونات مقارنةً بـ \(b\simeq0.0204~\mathrm{M}\).
6.7
يعادل ثاني أكسيد الكربون الممتص الهيدروكسيد، مما يعطي التحول الكلي \[ \ce{Ca(OH)2(aq) + 2CO2(aq) -> Ca^2+(aq) + 2HCO3-(aq)}. \]
إذا بقي الكالسيوم الابتدائي كله مذابًا، فإننا نحصل تقريبًا على \[ [\ce{Ca^2+}]=0.0150~\mathrm{M}, \qquad b=0.0300~\mathrm{M}. \]
سيكون حاصل التفاعل للاتزان في 6.6 هو \[ Q=\frac{(0.0150)(0.0300)^2}{0.0750673} =1.80\times10^{-4}. \]
بما أن \[ Q>K=5.62\times10^{-5}, \] فإن الاتزان ينزاح نحو كربونات الكالسيوم الصلبة. يترسب بعض الكالسيوم، ويصل المحلول المتبقي إلى تركيز الإشباع المحسوب في 6.6: \[ \boxed{[\ce{Ca^2+}]=1.02\times10^{-2}~\mathrm{M}}. \]
يترسب نحو \(0.0150-0.01018=0.0048~\mathrm{mol}\) من كربونات الكالسيوم لكل لتر، مما يؤكد بقاء طور صلب.
6.8
يخفض التخفيف إلى ضعف الحجم التركيز الكلي للكالسيوم إلى \[ C_{\mathrm{Ca,tot}}=\frac{0.0150}{2} =0.00750~\mathrm{M}. \]
إذا كان هذا الكالسيوم كله مذابًا، فإن \(b\simeq0.0150~\mathrm{M}\)، و \[ Q=\frac{(0.00750)(0.0150)^2}{0.0750673} =2.25\times10^{-5}<K. \]
إذن يكون المحلول النهائي غير مشبع بالنسبة إلى كربونات الكالسيوم. ويمكن لأي كربونات كالسيوم تتكون أثناء إضافة الغاز أن تذوب تمامًا قبل الوصول إلى الاتزان النهائي.
يبقى الكالسيوم المتاح كله في المحلول: \[ \boxed{[\ce{Ca^2+}]=7.50\times10^{-3}~\mathrm{M}}. \]
6.9
نجمع الاتزانات الآتية: \[ \begin{aligned} \ce{CaCO3(s) &<=> Ca^2+(aq) + CO3^2-(aq)} && K_{\mathrm{sp}},\\ \ce{CO2(aq) + H2O(l) &<=> HCO3-(aq) + H+(aq)} && K_{a1},\\ \ce{CO3^2-(aq) + H+(aq) &<=> HCO3-(aq)} && \frac{1}{K_{a2}}. \end{aligned} \]
مجموعها هو التفاعل المعطى قبل 6.6. ومن ثم، \[ K=K_{\mathrm{sp}}\frac{K_{a1}}{K_{a2}}, \] وعليه \[ K_{\mathrm{sp}} =K\frac{K_{a2}}{K_{a1}} =10^{-4.25}\frac{10^{-10.640}}{10^{-6.630}} =10^{-8.260}. \]
إذن، \[ \boxed{K_{\mathrm{sp}}\approx5.5\times10^{-9}}. \]
باستخدام تقريب التراكيز، يكون حاصل ضرب التراكيز المقابل عند الإشباع \[ [\ce{Ca^2+}][\ce{CO3^2-}] =5.5\times10^{-9}~\mathrm{mol^2\,dm^{-6}}. \]
إن التحلل المائي للكربونات، \[ \ce{CO3^2-(aq) + H2O(l) <=> HCO3-(aq) + OH-(aq)}, \] يجعل تركيز الكربونات الحرة أقل من الذوبانية المولارية الكلية في 6.5. وبناءً على ذلك، لا يمكن ببساطة تربيع تلك الذوبانية للحصول على \(K_{\mathrm{sp}}\).
تمت مراجعة الحل بمقارنته بالحل الرسمي.