Какое значение рН следует ожидать у дождевой воды, находящейся в равновесии с атмосферным воздухом, содержащим 0,010 % (об.) диоксида углерода, 1,0 млрд-1диоксида серы и 1,4 млрд-1аммиака? Температура воздуха равна 298 К, давление 101,3 кПа; парциальное давление паров воды принять равным 3,16 кПа. Какой вклад (в %) вносят эти примеси в процесс закисления дождевой воды?
Ответ
Раствор будет иметь значение рН = 4,84; вклад примесей в процесс закисления составит: диоксида углерода - + 8.3%, диоксида серы - +81.9%, аммиака - -9,7%.
Решение
Процессы растворения в дождевой воде диоксида углерода, диоксида серы и аммиака можно представить следующими брутто – уравнениями:
СО2 (г) + Н2О = Н+ + НСО3-,
SО2 (г) + Н2О = Н+ + НSО3-,
NH3 (г) + Н2О = OН- + NН4+.
Для этих процессов, как было отмечено выше, можно рассчитать концентрацию образующихся ионов водорода (гидроксила для случая аммиака) по уравнению:
[H+] = (K1iKГi Рi)1/2
или - при растворении аммиака – [OH-] = (K1(NH4OH) ∙KГ (NH3) ∙ Р(NH3))1/2,
где K1i и K1(NH4OH) - константы диссоциации угольной или сернистой кислот по первой ступени и гидроксида аммония соответственно; KГi и KГ (NH3) – константы Генри для диокида углерода или диоксида серы и аммиака соответственно; Рi и Р(NH3) – парциальные давления диоксида углерода или диоксида серы и аммиака соответственно.
Значения констант диссоциации кислот и гидроксида аммония, а также соответствующих констант Генри приводятся в справочной литературе; при 298 К значения этих величин, равны:
K1(H2CO3) = 4,45 ∙10-7 моль/л;
K1(H2SO3) = 2,7 ∙10-2 моль/л;
K(NH4OH) = 1,6 ∙10-5 моль/л;
KГ(CO2) = 3,3 ∙10-2 моль/(л∙атм);
KГ(SO2) = 5,34 моль/(л∙атм);
KГ(NH3) = 89,1 моль/(л∙атм).
Парциальное давление соответствующих примесей можно рассчитать, зная их концентрацию, общее давление и давление паров воды в воздухе
. Однако следует учесть, что:
-концентрация диоксида серы и аммиака в воздухе выражены в млрд-1, поэтому для перевода их в объёмные доли необходимо умножить соответствующее значение концентрации на 10-9.
- концентрация диоксида углерода выражена в % (об.); для перевода в объёмные доли необходимо ее значение умножить на 10-2;
- общее давлении смеси, давление паров воды и значение соответствующих констант Генри, которые будут использованы в дальнейших расчетах, приведены в различных единицах измерения давления; для выражения их в одних и тех же единицах в данном случае достаточно разделить значение давления, выраженное в кПа, на 101,3 .
Парциальное давление соответсвующих примесей в воздухе составит:
Pi = (Pобщ – Р(Н2О)αi;
P(CO2) = (101,3 -3,16) 0,010∙10-2 / 101,3 = 9.69∙10-5 (атм);
P(SO2) = (101,3 -3,16) 1,0∙10-9 / 101,3 =9.69∙10-10(атм);
P(NH3) = (101,3 -3,16) 1,4∙10-9 / 101,3 = 1.36∙10-9 (атм);
Концентрация ионов водорода, образующихся при растворении диоксида углерода и диоксида серы, составят:
[H+](H2CO3) = ( 4,45 ∙10-7 ∙3,3 ∙10-2 ∙9.69∙10-5)1/2 = 1.19∙10-6 (моль/л);
[H+](H2SO3) = ( 2,7 ∙10-2 ∙5,34 ∙9.69∙10-10)1/2 = 1.18∙10-5 (моль/л);
Концентрация ионов гидроксила, образующихся при растворении аммиака, составит: [ОH-](NH4OH) = ( 1,6 ∙10-5 ∙89,1 ∙1.36∙10-9)1/2 = 1.39∙10-6 (моль/л).
Ионы гидроксила, образующиеся при растворении аммиака, могут связывать ионы водорода с образованием молекул воды: H+ + OH- ↔ H2O.
Поэтому для определения общего содержания ионов водорода в растворе следует сложить концентрации ионов H+, образующихся при растворении диоксида углерода и диоксида серы, и вычесть концентрацию ионов гидроксила, образующихся при растворении аммиака
Задать вопрос
на новый заказ в Автор24.
