Alkalinity of Water and Solubility of \(\ce{CO2}\)

The capacity of water to accept \(\ce{H+}\) ions is called alkalinity. Alkalinity is important in water treatment and in the chemistry and biology of natural waters. Generally, the basic species responsible for alkalinity in water are \(\ce{HCO3^-}\), \(\ce{CO3^2-}\), and \(\ce{OH^-}\). At pH values below 7, \(\ce{H+}\) in water detracts significantly from alkalinity. Therefore, the complete equation for alkalinity in a medium where \(\ce{HCO3^-}\), \(\ce{CO3^2-}\), and \(\ce{OH^-}\) are the only contributors to alkalinity can be expressed as

\[ \text{alkalinity} =[\ce{HCO3^-}]+2[\ce{CO3^2-}]+[\ce{OH^-}]-[\ce{H+}] \]

The contributions made by different species to alkalinity depend upon pH. Relevant chemical equations and equilibrium constants (at 298 K) are shown below:

Note: Calculations must be shown.

6.1 Natural waters (river or lake water) generally contain dissolved \(\ce{CO2}\). The ratio of \([\ce{H2CO3}]:[\ce{HCO3^-}]:[\ce{CO3^2-}]\) in a water at \([\ce{H+}]=1.00\times10^{-7}\ \mathrm{M}\) will be:

\[ \underline{(a)}:1.00:\underline{(b)}. \]

Calculate (a) and (b).

6.2 Gaseous \(\ce{CO2}\) in the atmosphere can be regarded as a contributor to the alkalinity of water in equilibrium with air. Calculate the concentration of \(\ce{CO2(aq)}\) \((\mathrm{mol\,dm^{-3}})\) in pure water that is in equilibrium with the unpolluted air at \(1.01\times10^5\ \mathrm{Pa}\) and 298 K containing 0.0360 % (molar ratio) \(\ce{CO2}\). (assuming standard pressure \(=1.01\times10^5\ \mathrm{Pa}\)).

If you are unable to solve this problem, assume that concentration of \(\ce{CO2(aq)}\) is equal to \(1.11\times10^{-5}\ \mathrm{M}\) for further calculations.

The solubility (\(S\)) of \(\ce{CO2}\) in water can be defined as

\[ S=[\ce{CO2(aq)}]+[\ce{H2CO3}]+[\ce{HCO3^-}]+[\ce{CO3^2-}]. \]

The solubility of atmospheric \(\ce{CO2}\) in water that is in equilibrium with the unpolluted air at 298 K and \(1.01\times10^5\ \mathrm{Pa}\) will vary with alkalinity.

6-3 Find the solubility of atmospheric \(\ce{CO2}\) in pure water \((\mathrm{mol\,dm^{-3}})\). Neglect dissociation of water.

6.4 Find the solubility of atmospheric \(\ce{CO2}\) \((\mathrm{mol\,dm^{-3}})\) in a \(1.00\times10^{-3}\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}\) \(\ce{NaOH}\) solution.

At 298 K, \(1.01\times10^5\ \mathrm{Pa}\) unpolluted air is in equilibrium with natural water saturated with \(\ce{CaCO3}\). The following main equilibrium may exist:

6.5 Calculate the equilibrium constant for the above equation.

If you are unable to solve this problem, assume that equilibrium constant \(K_{\mathrm{eq}}=5.00\times10^{-5}\) for further calculations.

6.6 Calculate the concentration of \(\ce{Ca^2+}\) \((\mathrm{mg\,dm^{-3}})\) in \(\ce{CaCO3}\)-saturated natural water that is in equilibrium with atmospheric \(\ce{CO2}\).

If you are unable to solve this problem, assume that concentration of \(\ce{Ca^2+(aq)}=40.1\ \mathrm{mg\,dm^{-3}}\) for further calculations.

6.7 Find the alkalinity (mol/L) of the above solution.

6.8 In an underground lake saturated with \(\ce{CaCO3}\), the water has a high content of \(\ce{CO2}\). The concentration of \(\ce{Ca^2+}\) in this lake was found to be as high as \(100\ \mathrm{mg\,dm^{-3}}\). Assume the lake and the air above is a closed system, calculate the effective pressure of \(\ce{CO2}\) (Pa) in air which is in equilibrium with this \(\ce{Ca^2+}\) content.

Official English text of the problem.

Alkalinität von Wasser und Löslichkeit von \(\ce{CO2}\)

Die Fähigkeit von Wasser, \(\ce{H+}\)-Ionen aufzunehmen, wird als Alkalinität bezeichnet. Die Alkalinität ist für die Wasseraufbereitung sowie für die Chemie und Biologie natürlicher Gewässer von Bedeutung. Im Allgemeinen sind die basischen Spezies, die für die Alkalinität von Wasser verantwortlich sind, \(\ce{HCO3^-}\), \(\ce{CO3^2-}\) und \(\ce{OH^-}\). Bei pH-Werten unter 7 verringern \(\ce{H+}\)-Ionen im Wasser die Alkalinität erheblich. Daher lässt sich die vollständige Gleichung für die Alkalinität in einem Medium, in dem ausschließlich \(\ce{HCO3^-}\), \(\ce{CO3^2-}\) und \(\ce{OH^-}\) zur Alkalinität beitragen, wie folgt ausdrücken:

\[ \text{Alkalinität} =[\ce{HCO3^-}]+2[\ce{CO3^2-}]+[\ce{OH^-}]-[\ce{H+}] \]

Die Beiträge der verschiedenen Spezies zur Alkalinität hängen vom pH-Wert ab. Die relevanten chemischen Gleichungen und Gleichgewichtskonstanten (bei 298 K) sind nachstehend angegeben:

Hinweis: Die Berechnungen müssen angegeben werden.

6.1 Natürliche Gewässer (Fluss- oder Seewasser) enthalten im Allgemeinen gelöstes \(\ce{CO2}\). Das Verhältnis \([\ce{H2CO3}]:[\ce{HCO3^-}]:[\ce{CO3^2-}]\) in einem Wasser mit \([\ce{H+}]=1.00\times10^{-7}\ \mathrm{M}\) beträgt:

\[ \underline{(a)}:1.00:\underline{(b)}. \]

Berechnen Sie (a) und (b).

6.2 Gasförmiges \(\ce{CO2}\) in der Atmosphäre kann als Beitrag zur Alkalinität von Wasser betrachtet werden, das sich im Gleichgewicht mit Luft befindet. Berechnen Sie die Konzentration von \(\ce{CO2(aq)}\) \((\mathrm{mol\,dm^{-3}})\) in reinem Wasser, das bei \(1.01\times10^5\ \mathrm{Pa}\) und 298 K im Gleichgewicht mit unbelasteter Luft steht, die 0.0360 % (Stoffmengenanteil) \(\ce{CO2}\) enthält. (Angenommener Standarddruck \(=1.01\times10^5\ \mathrm{Pa}\).)

Falls Sie diese Aufgabe nicht lösen können, nehmen Sie für die weiteren Berechnungen an, dass die Konzentration von \(\ce{CO2(aq)}\) gleich \(1.11\times10^{-5}\ \mathrm{M}\) ist.

Die Löslichkeit (\(S\)) von \(\ce{CO2}\) in Wasser lässt sich definieren als

\[ S=[\ce{CO2(aq)}]+[\ce{H2CO3}]+[\ce{HCO3^-}]+[\ce{CO3^2-}]. \]

Die Löslichkeit von atmosphärischem \(\ce{CO2}\) in Wasser, das bei 298 K und \(1.01\times10^5\ \mathrm{Pa}\) im Gleichgewicht mit unbelasteter Luft steht, variiert mit der Alkalinität.

6-3 Bestimmen Sie die Löslichkeit von atmosphärischem \(\ce{CO2}\) in reinem Wasser \((\mathrm{mol\,dm^{-3}})\). Vernachlässigen Sie die Dissoziation des Wassers.

6.4 Bestimmen Sie die Löslichkeit von atmosphärischem \(\ce{CO2}\) \((\mathrm{mol\,dm^{-3}})\) in einer \(1.00\times10^{-3}\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}\) \(\ce{NaOH}\)-Lösung.

Bei 298 K und \(1.01\times10^5\ \mathrm{Pa}\) steht unbelastete Luft im Gleichgewicht mit natürlichem Wasser, das mit \(\ce{CaCO3}\) gesättigt ist. Dabei kann das folgende Hauptgleichgewicht vorliegen:

6.5 Berechnen Sie die Gleichgewichtskonstante für die obige Gleichung.

Falls Sie diese Aufgabe nicht lösen können, nehmen Sie für die weiteren Berechnungen eine Gleichgewichtskonstante von \(K_{\mathrm{eq}}=5.00\times10^{-5}\) an.

6.6 Berechnen Sie die Konzentration von \(\ce{Ca^2+}\) \((\mathrm{mg\,dm^{-3}})\) in mit \(\ce{CaCO3}\) gesättigtem natürlichem Wasser, das im Gleichgewicht mit atmosphärischem \(\ce{CO2}\) steht.

Falls Sie diese Aufgabe nicht lösen können, nehmen Sie für die weiteren Berechnungen eine Konzentration von \(\ce{Ca^2+(aq)}=40.1\ \mathrm{mg\,dm^{-3}}\) an.

6.7 Bestimmen Sie die Alkalinität (mol/L) der obigen Lösung.

6.8 In einem unterirdischen See, der mit \(\ce{CaCO3}\) gesättigt ist, weist das Wasser einen hohen Gehalt an \(\ce{CO2}\) auf. In diesem See wurde eine Konzentration von \(\ce{Ca^2+}\) von bis zu \(100\ \mathrm{mg\,dm^{-3}}\) festgestellt. Nehmen Sie an, dass der See und die darüber befindliche Luft ein geschlossenes System bilden, und berechnen Sie den effektiven Druck von \(\ce{CO2}\) (Pa) in der Luft, die mit diesem \(\ce{Ca^2+}\)-Gehalt im Gleichgewicht steht.

Aufgabentext aus dem offiziellen englischen Text übersetzt.

Suyun Alkalinitesi ve \(\ce{CO2}\)’nin Çözünürlüğü

Suyun \(\ce{H+}\) iyonlarını kabul etme kapasitesine alkalinite denir. Alkalinite, su arıtımında ve doğal suların kimyası ile biyolojisinde önemlidir. Genel olarak, sudaki alkaliniteden sorumlu bazik türler \(\ce{HCO3^-}\), \(\ce{CO3^2-}\) ve \(\ce{OH^-}\)’dir. pH değerinin 7’nin altında olduğu durumlarda sudaki \(\ce{H+}\), alkaliniteyi önemli ölçüde azaltır. Dolayısıyla, alkaliniteye katkıda bulunan tek türlerin \(\ce{HCO3^-}\), \(\ce{CO3^2-}\) ve \(\ce{OH^-}\) olduğu bir ortamda alkaliniteyi veren tam denklem şu şekilde ifade edilebilir:

\[ \text{alkalinite} =[\ce{HCO3^-}]+2[\ce{CO3^2-}]+[\ce{OH^-}]-[\ce{H+}] \]

Farklı türlerin alkaliniteye katkıları pH’a bağlıdır. İlgili kimyasal denklemler ve denge sabitleri (298 K’de) aşağıda gösterilmiştir:

Not: Hesaplamalar gösterilmelidir.

6.1 Doğal sular (nehir veya göl suyu) genellikle çözünmüş \(\ce{CO2}\) içerir. \([\ce{H+}]=1.00\times10^{-7}\ \mathrm{M}\) olan bir sudaki \([\ce{H2CO3}]:[\ce{HCO3^-}]:[\ce{CO3^2-}]\) oranı şöyle olacaktır:

\[ \underline{(a)}:1.00:\underline{(b)}. \]

(a) ve (b)’yi hesaplayınız.

6.2 Atmosferdeki gaz hâlindeki \(\ce{CO2}\), havayla dengede bulunan suyun alkalinitesine katkıda bulunan bir bileşen olarak kabul edilebilir. \(1.01\times10^5\ \mathrm{Pa}\) ve 298 K’de, % 0.0360 (mol oranı) \(\ce{CO2}\) içeren kirlenmemiş havayla dengede bulunan saf sudaki \(\ce{CO2(aq)}\) derişimini \((\mathrm{mol\,dm^{-3}})\) hesaplayınız. (Standart basıncın \(=1.01\times10^5\ \mathrm{Pa}\) olduğunu varsayınız.)

Bu soruyu çözemediyseniz sonraki hesaplamalar için \(\ce{CO2(aq)}\) derişiminin \(1.11\times10^{-5}\ \mathrm{M}\) olduğunu varsayınız.

\(\ce{CO2}\)’nin sudaki çözünürlüğü (\(S\)) şu şekilde tanımlanabilir:

\[ S=[\ce{CO2(aq)}]+[\ce{H2CO3}]+[\ce{HCO3^-}]+[\ce{CO3^2-}]. \]

Atmosferik \(\ce{CO2}\)’nin, 298 K ve \(1.01\times10^5\ \mathrm{Pa}\)’da kirlenmemiş havayla dengede bulunan sudaki çözünürlüğü alkaliniteye bağlı olarak değişir.

6-3 Atmosferik \(\ce{CO2}\)’nin saf sudaki çözünürlüğünü \((\mathrm{mol\,dm^{-3}})\) bulunuz. Suyun ayrışmasını ihmal ediniz.

6.4 Atmosferik \(\ce{CO2}\)’nin \(1.00\times10^{-3}\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}\) derişimindeki bir \(\ce{NaOH}\) çözeltisindeki çözünürlüğünü \((\mathrm{mol\,dm^{-3}})\) bulunuz.

298 K ve \(1.01\times10^5\ \mathrm{Pa}\)’da kirlenmemiş hava, \(\ce{CaCO3}\) ile doymuş doğal suyla dengededir. Aşağıdaki temel denge kurulabilir:

6.5 Yukarıdaki denklemin denge sabitini hesaplayınız.

Bu soruyu çözemediyseniz sonraki hesaplamalar için denge sabitinin \(K_{\mathrm{eq}}=5.00\times10^{-5}\) olduğunu varsayınız.

6.6 Atmosferik \(\ce{CO2}\) ile dengede bulunan, \(\ce{CaCO3}\) ile doymuş doğal sudaki \(\ce{Ca^2+}\) derişimini \((\mathrm{mg\,dm^{-3}})\) hesaplayınız.

Bu soruyu çözemediyseniz sonraki hesaplamalar için \(\ce{Ca^2+(aq)}=40.1\ \mathrm{mg\,dm^{-3}}\) derişimini varsayınız.

6.7 Yukarıdaki çözeltinin alkalinitesini (mol/L) bulunuz.

6.8 \(\ce{CaCO3}\) ile doymuş bir yer altı gölünde suyun \(\ce{CO2}\) içeriği yüksektir. Bu göldeki \(\ce{Ca^2+}\) derişiminin \(100\ \mathrm{mg\,dm^{-3}}\) kadar yüksek olduğu bulunmuştur. Gölün ve üzerindeki havanın kapalı bir sistem oluşturduğunu varsayarak, bu \(\ce{Ca^2+}\) içeriğiyle dengede bulunan havadaki \(\ce{CO2}\)’nin etkin basıncını (Pa) hesaplayınız.

Soru metni resmi İngilizce metinden çevrilmiştir.

Alcalinidad del agua y solubilidad del \(\ce{CO2}\)

La capacidad del agua para aceptar iones \(\ce{H+}\) se denomina alcalinidad. La alcalinidad es importante en el tratamiento del agua y en la química y la biología de las aguas naturales. En general, las especies básicas responsables de la alcalinidad del agua son \(\ce{HCO3^-}\), \(\ce{CO3^2-}\) y \(\ce{OH^-}\). A valores de pH inferiores a 7, los iones \(\ce{H+}\) presentes en el agua reducen significativamente la alcalinidad. Por tanto, la ecuación completa de la alcalinidad en un medio en el que \(\ce{HCO3^-}\), \(\ce{CO3^2-}\) y \(\ce{OH^-}\) son las únicas especies que contribuyen a ella puede expresarse como

\[ \text{alcalinidad} =[\ce{HCO3^-}]+2[\ce{CO3^2-}]+[\ce{OH^-}]-[\ce{H+}] \]

Las contribuciones de las distintas especies a la alcalinidad dependen del pH. A continuación se muestran las ecuaciones químicas y las constantes de equilibrio pertinentes (a 298 K):

Nota: Deben mostrarse los cálculos.

6.1 Las aguas naturales (agua de ríos o lagos) suelen contener \(\ce{CO2}\) disuelto. La proporción \([\ce{H2CO3}]:[\ce{HCO3^-}]:[\ce{CO3^2-}]\) en un agua con \([\ce{H+}]=1.00\times10^{-7}\ \mathrm{M}\) será:

\[ \underline{(a)}:1.00:\underline{(b)}. \]

Calcule (a) y (b).

6.2 El \(\ce{CO2}\) gaseoso de la atmósfera puede considerarse una especie que contribuye a la alcalinidad del agua en equilibrio con el aire. Calcule la concentración de \(\ce{CO2(aq)}\) \((\mathrm{mol\,dm^{-3}})\) en agua pura en equilibrio con aire no contaminado a \(1.01\times10^5\ \mathrm{Pa}\) y 298 K que contiene un 0.0360 % (proporción molar) de \(\ce{CO2}\). (Suponga una presión estándar \(=1.01\times10^5\ \mathrm{Pa}\)).

Si no puede resolver este apartado, suponga que la concentración de \(\ce{CO2(aq)}\) es igual a \(1.11\times10^{-5}\ \mathrm{M}\) para los cálculos posteriores.

La solubilidad (\(S\)) del \(\ce{CO2}\) en agua puede definirse como

\[ S=[\ce{CO2(aq)}]+[\ce{H2CO3}]+[\ce{HCO3^-}]+[\ce{CO3^2-}]. \]

La solubilidad del \(\ce{CO2}\) atmosférico en agua en equilibrio con aire no contaminado a 298 K y \(1.01\times10^5\ \mathrm{Pa}\) variará con la alcalinidad.

6-3 Determine la solubilidad del \(\ce{CO2}\) atmosférico en agua pura \((\mathrm{mol\,dm^{-3}})\). Desprecie la disociación del agua.

6.4 Determine la solubilidad del \(\ce{CO2}\) atmosférico \((\mathrm{mol\,dm^{-3}})\) en una disolución de \(1.00\times10^{-3}\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}\) de \(\ce{NaOH}\).

A 298 K y \(1.01\times10^5\ \mathrm{Pa}\), el aire no contaminado está en equilibrio con agua natural saturada de \(\ce{CaCO3}\). Puede establecerse el siguiente equilibrio principal:

6.5 Calcule la constante de equilibrio de la ecuación anterior.

Si no puede resolver este apartado, suponga que la constante de equilibrio es \(K_{\mathrm{eq}}=5.00\times10^{-5}\) para los cálculos posteriores.

6.6 Calcule la concentración de \(\ce{Ca^2+}\) \((\mathrm{mg\,dm^{-3}})\) en agua natural saturada de \(\ce{CaCO3}\) que está en equilibrio con el \(\ce{CO2}\) atmosférico.

Si no puede resolver este apartado, suponga que la concentración de \(\ce{Ca^2+(aq)}=40.1\ \mathrm{mg\,dm^{-3}}\) para los cálculos posteriores.

6.7 Determine la alcalinidad (mol/L) de la disolución anterior.

6.8 En un lago subterráneo saturado de \(\ce{CaCO3}\), el agua tiene un contenido elevado de \(\ce{CO2}\). Se encontró que la concentración de \(\ce{Ca^2+}\) en este lago alcanzaba los \(100\ \mathrm{mg\,dm^{-3}}\). Suponiendo que el lago y el aire situado sobre él constituyen un sistema cerrado, calcule la presión efectiva de \(\ce{CO2}\) (Pa) en el aire que está en equilibrio con este contenido de \(\ce{Ca^2+}\).

Enunciado traducido del texto oficial en inglés.

水的碱度与 \(\ce{CO2}\) 的溶解度

水接受 \(\ce{H+}\) 离子的能力称为碱度。碱度在水处理以及天然水体的化学和生物学中具有重要意义。通常，水中产生碱度的碱性物种是 \(\ce{HCO3^-}\)、\(\ce{CO3^2-}\) 和 \(\ce{OH^-}\)。当 pH 值低于 7 时，水中的 \(\ce{H+}\) 会显著降低碱度。因此，在仅有 \(\ce{HCO3^-}\)、\(\ce{CO3^2-}\) 和 \(\ce{OH^-}\) 对碱度作出贡献的介质中，碱度的完整表达式可写为

\[ \text{碱度} =[\ce{HCO3^-}]+2[\ce{CO3^2-}]+[\ce{OH^-}]-[\ce{H+}] \]

不同物种对碱度的贡献取决于 pH。相关化学方程式和平衡常数（298 K 时）如下所示：

注意：必须写出计算过程。

6.1 天然水（河水或湖水）通常含有溶解的 \(\ce{CO2}\)。当水中 \([\ce{H+}]=1.00\times10^{-7}\ \mathrm{M}\) 时，\([\ce{H2CO3}]:[\ce{HCO3^-}]:[\ce{CO3^2-}]\) 的比值为：

\[ \underline{(a)}:1.00:\underline{(b)}. \]

计算 (a) 和 (b)。

6.2 大气中的气态 \(\ce{CO2}\) 可视为对与空气处于平衡的水的碱度作出贡献的物质。计算在 \(1.01\times10^5\ \mathrm{Pa}\) 和 298 K 下，与含有 0.0360 %（摩尔比）\(\ce{CO2}\) 的未受污染空气处于平衡的纯水中 \(\ce{CO2(aq)}\) 的浓度 \((\mathrm{mol\,dm^{-3}})\)。（假设标准压力 \(=1.01\times10^5\ \mathrm{Pa}\)）。

如果你无法解答本题，请在后续计算中假设 \(\ce{CO2(aq)}\) 的浓度等于 \(1.11\times10^{-5}\ \mathrm{M}\)。

\(\ce{CO2}\) 在水中的溶解度（\(S\)）可定义为

\[ S=[\ce{CO2(aq)}]+[\ce{H2CO3}]+[\ce{HCO3^-}]+[\ce{CO3^2-}]. \]

在 298 K 和 \(1.01\times10^5\ \mathrm{Pa}\) 下，与未受污染空气处于平衡的水中，大气 \(\ce{CO2}\) 的溶解度随碱度而变化。

6-3 求大气 \(\ce{CO2}\) 在纯水中的溶解度 \((\mathrm{mol\,dm^{-3}})\)。忽略水的电离。

6.4 求大气 \(\ce{CO2}\) 在 \(1.00\times10^{-3}\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}\) 的 \(\ce{NaOH}\) 溶液中的溶解度 \((\mathrm{mol\,dm^{-3}})\)。

在 298 K、\(1.01\times10^5\ \mathrm{Pa}\) 下，未受污染的空气与 \(\ce{CaCO3}\) 饱和的天然水处于平衡。可能存在以下主要平衡：

6.5 计算上述方程式的平衡常数。

如果你无法解答本题，请在后续计算中假设平衡常数 \(K_{\mathrm{eq}}=5.00\times10^{-5}\)。

6.6 计算与大气 \(\ce{CO2}\) 处于平衡的 \(\ce{CaCO3}\) 饱和天然水中 \(\ce{Ca^2+}\) 的浓度 \((\mathrm{mg\,dm^{-3}})\)。

如果你无法解答本题，请在后续计算中假设 \(\ce{Ca^2+(aq)}=40.1\ \mathrm{mg\,dm^{-3}}\) 为其浓度。

6.7 求上述溶液的碱度（mol/L）。

6.8 在一个 \(\ce{CaCO3}\) 饱和的地下湖中，水的 \(\ce{CO2}\) 含量很高。测得该湖中 \(\ce{Ca^2+}\) 的浓度高达 \(100\ \mathrm{mg\,dm^{-3}}\)。假设湖水及其上方的空气构成一个封闭体系，计算与这一 \(\ce{Ca^2+}\) 含量处于平衡的空气中 \(\ce{CO2}\) 的有效压力（Pa）。

题目译自官方英文原文。

Щёлочность воды и растворимость \(\ce{CO2}\)

Способность воды присоединять ионы \(\ce{H+}\) называется щёлочностью. Щёлочность играет важную роль в водоподготовке, а также в химии и биологии природных вод. Обычно основными частицами, обусловливающими щёлочность воды, являются \(\ce{HCO3^-}\), \(\ce{CO3^2-}\) и \(\ce{OH^-}\). При значениях pH ниже 7 присутствующие в воде ионы \(\ce{H+}\) существенно снижают щёлочность. Поэтому полное выражение для щёлочности среды, в которой единственными частицами, обусловливающими щёлочность, являются \(\ce{HCO3^-}\), \(\ce{CO3^2-}\) и \(\ce{OH^-}\), можно записать в виде

\[ \text{щёлочность} =[\ce{HCO3^-}]+2[\ce{CO3^2-}]+[\ce{OH^-}]-[\ce{H+}] \]

Вклады различных частиц в щёлочность зависят от pH. Соответствующие химические уравнения и константы равновесия (при 298 K) приведены ниже:

Примечание: необходимо привести расчёты.

6.1 Природные воды (речная или озёрная вода) обычно содержат растворённый \(\ce{CO2}\). Соотношение \([\ce{H2CO3}]:[\ce{HCO3^-}]:[\ce{CO3^2-}]\) в воде при \([\ce{H+}]=1.00\times10^{-7}\ \mathrm{M}\) будет следующим:

\[ \underline{(a)}:1.00:\underline{(b)}. \]

Рассчитайте (a) и (b).

6.2 Газообразный \(\ce{CO2}\), содержащийся в атмосфере, можно рассматривать как фактор, влияющий на щёлочность воды, находящейся в равновесии с воздухом. Рассчитайте концентрацию \(\ce{CO2(aq)}\) \((\mathrm{mol\,dm^{-3}})\) в чистой воде, находящейся в равновесии с незагрязнённым воздухом при \(1.01\times10^5\ \mathrm{Pa}\) и 298 K, содержащим 0.0360 % (мольная доля) \(\ce{CO2}\). (Считайте, что стандартное давление \(=1.01\times10^5\ \mathrm{Pa}\).)

Если вам не удалось решить этот пункт задачи, для дальнейших расчётов примите концентрацию \(\ce{CO2(aq)}\) равной \(1.11\times10^{-5}\ \mathrm{M}\).

Растворимость (\(S\)) \(\ce{CO2}\) в воде можно определить как

\[ S=[\ce{CO2(aq)}]+[\ce{H2CO3}]+[\ce{HCO3^-}]+[\ce{CO3^2-}]. \]

Растворимость атмосферного \(\ce{CO2}\) в воде, находящейся в равновесии с незагрязнённым воздухом при 298 K и \(1.01\times10^5\ \mathrm{Pa}\), будет зависеть от щёлочности.

6-3 Найдите растворимость атмосферного \(\ce{CO2}\) в чистой воде \((\mathrm{mol\,dm^{-3}})\). Пренебрегите диссоциацией воды.

6.4 Найдите растворимость атмосферного \(\ce{CO2}\) \((\mathrm{mol\,dm^{-3}})\) в растворе \(\ce{NaOH}\) с концентрацией \(1.00\times10^{-3}\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}\).

При 298 K и \(1.01\times10^5\ \mathrm{Pa}\) незагрязнённый воздух находится в равновесии с природной водой, насыщенной \(\ce{CaCO3}\). Может устанавливаться следующее основное равновесие:

6.5 Рассчитайте константу равновесия для приведённого выше уравнения.

Если вам не удалось решить этот пункт задачи, для дальнейших расчётов примите константу равновесия \(K_{\mathrm{eq}}=5.00\times10^{-5}\).

6.6 Рассчитайте концентрацию \(\ce{Ca^2+}\) \((\mathrm{mg\,dm^{-3}})\) в природной воде, насыщенной \(\ce{CaCO3}\) и находящейся в равновесии с атмосферным \(\ce{CO2}\).

Если вам не удалось решить этот пункт задачи, для дальнейших расчётов примите концентрацию \(\ce{Ca^2+(aq)}=40.1\ \mathrm{mg\,dm^{-3}}\).

6.7 Найдите щёлочность (моль/л) указанного выше раствора.

6.8 В подземном озере, насыщенном \(\ce{CaCO3}\), вода имеет высокое содержание \(\ce{CO2}\). Было установлено, что концентрация \(\ce{Ca^2+}\) в этом озере достигает \(100\ \mathrm{mg\,dm^{-3}}\). Считая озеро и воздух над ним замкнутой системой, рассчитайте эффективное давление \(\ce{CO2}\) (Па) в воздухе, находящемся в равновесии с водой при таком содержании \(\ce{Ca^2+}\).

Условие переведено с официального английского текста.

قلوية الماء وذوبانية \(\ce{CO2}\)

تُسمّى قدرة الماء على استقبال أيونات \(\ce{H+}\) القلوية. وتكتسب القلوية أهمية في معالجة المياه وفي كيمياء المياه الطبيعية وبيولوجيتها. وعمومًا، فإن الأنواع الكيميائية القاعدية المسؤولة عن قلوية الماء هي \(\ce{HCO3^-}\) و\(\ce{CO3^2-}\) و\(\ce{OH^-}\). وعند قيم pH الأقل من 7، تُنقِص أيونات \(\ce{H+}\) الموجودة في الماء القلويةَ بدرجة ملحوظة. لذلك، يمكن التعبير عن المعادلة الكاملة للقلوية في وسط تكون فيه \(\ce{HCO3^-}\) و\(\ce{CO3^2-}\) و\(\ce{OH^-}\) الأنواع الوحيدة التي تسهم في القلوية كما يلي:

\[ \text{القلوية} =[\ce{HCO3^-}]+2[\ce{CO3^2-}]+[\ce{OH^-}]-[\ce{H+}] \]

تعتمد مساهمات الأنواع الكيميائية المختلفة في القلوية على pH. وترد فيما يلي المعادلات الكيميائية وثوابت الاتزان ذات الصلة (عند 298 K):

ملاحظة: يجب إظهار الحسابات.

6.1 تحتوي المياه الطبيعية (مياه الأنهار أو البحيرات) عمومًا على \(\ce{CO2}\) مذاب. وتكون النسبة \([\ce{H2CO3}]:[\ce{HCO3^-}]:[\ce{CO3^2-}]\) في ماء عند \([\ce{H+}]=1.00\times10^{-7}\ \mathrm{M}\) كما يلي:

\[ \underline{(a)}:1.00:\underline{(b)}. \]

احسب (a) و(b).

6.2 يمكن اعتبار \(\ce{CO2}\) الغازي الموجود في الغلاف الجوي مساهمًا في قلوية الماء المتزن مع الهواء. احسب تركيز \(\ce{CO2(aq)}\) بوحدة \((\mathrm{mol\,dm^{-3}})\) في الماء النقي المتزن مع هواء غير ملوث عند \(1.01\times10^5\ \mathrm{Pa}\) و298 K، ويحتوي على 0.0360 % (نسبة مولية) من \(\ce{CO2}\). (بافتراض أن الضغط القياسي \(=1.01\times10^5\ \mathrm{Pa}\)).

إذا لم تتمكن من حل هذا السؤال، فافترض أن تركيز \(\ce{CO2(aq)}\) يساوي \(1.11\times10^{-5}\ \mathrm{M}\) لإجراء الحسابات اللاحقة.

يمكن تعريف ذوبانية (\(S\)) \(\ce{CO2}\) في الماء كما يلي:

\[ S=[\ce{CO2(aq)}]+[\ce{H2CO3}]+[\ce{HCO3^-}]+[\ce{CO3^2-}]. \]

تتغير ذوبانية \(\ce{CO2}\) الجوي في الماء المتزن مع هواء غير ملوث عند 298 K و\(1.01\times10^5\ \mathrm{Pa}\) بتغير القلوية.

6-3 أوجد ذوبانية \(\ce{CO2}\) الجوي في الماء النقي بوحدة \((\mathrm{mol\,dm^{-3}})\). أهمل تفكك الماء.

6.4 أوجد ذوبانية \(\ce{CO2}\) الجوي بوحدة \((\mathrm{mol\,dm^{-3}})\) في محلول \(\ce{NaOH}\) تركيزه \(1.00\times10^{-3}\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}\).

عند 298 K و\(1.01\times10^5\ \mathrm{Pa}\)، يكون الهواء غير الملوث في حالة اتزان مع ماء طبيعي مشبع بـ\(\ce{CaCO3}\). وقد يسود الاتزان الرئيسي الآتي:

6.5 احسب ثابت الاتزان للمعادلة أعلاه.

إذا لم تتمكن من حل هذا السؤال، فافترض أن ثابت الاتزان \(K_{\mathrm{eq}}=5.00\times10^{-5}\) لإجراء الحسابات اللاحقة.

6.6 احسب تركيز \(\ce{Ca^2+}\) بوحدة \((\mathrm{mg\,dm^{-3}})\) في ماء طبيعي مشبع بـ\(\ce{CaCO3}\) ومتزن مع \(\ce{CO2}\) الجوي.

إذا لم تتمكن من حل هذا السؤال، فافترض أن تركيز \(\ce{Ca^2+(aq)}=40.1\ \mathrm{mg\,dm^{-3}}\) لإجراء الحسابات اللاحقة.

6.7 أوجد قلوية المحلول أعلاه (mol/L).

6.8 في بحيرة جوفية مشبعة بـ\(\ce{CaCO3}\)، يحتوي الماء على كمية كبيرة من \(\ce{CO2}\). وقد وُجد أن تركيز \(\ce{Ca^2+}\) في هذه البحيرة يصل إلى \(100\ \mathrm{mg\,dm^{-3}}\). بافتراض أن البحيرة والهواء الذي يعلوها يشكلان نظامًا مغلقًا، احسب الضغط الفعّال لـ\(\ce{CO2}\) (Pa) في الهواء المتزن مع هذا المحتوى من \(\ce{Ca^2+}\).

نص المسألة مترجم عن النص الإنجليزي الرسمي.