a) Viết các phản ứng cân bằng liên quan CO2 + H2O ⇌ H2CO3 ⇌ H+ + HCO3- ⇌ 2 H+ + CO3^2- và biểu thức Ka1, Ka2. b) Giải thích tại sao pH nước hồ giảm khi pCO2 tăng (ví dụ ô nhiễm). c) Nếu pCO2 tăng gấp đ...

Anastasiamila

Dưới đây là câu trả lời rõ ràng, có công thức và phương pháp tính cho từng phần (tiếng Việt).

a) Các cân bằng và biểu thức (K_{a1},K_{a2})

Các phản ứng cân bằng trong hệ CO(_2) — nước — bicarbonate — carbonate:

1. Hòa tan CO(_2) (đơn giản hay coi là CO(_2^) = CO(_2)(aq) + H(_2)CO(_3)):
2. [
3. \mathrm{CO_2(g) \rightleftharpoons CO_2^(aq)}\quad\text{(Henry)}
4. ]
5. Phản ứng tạo acid carbonic / phân ly lần 1:
6. [
7. \mathrm{CO_2^* \rightleftharpoons H_2CO_3 \rightleftharpoons H^+ + HCO_3^-}
8. ]
9. Viết biểu thức hằng số phân ly lần 1 (thường gọi (K_{a1})):
10. [
11. K_{a1}=\dfrac{[H^+][HCO_3^-]}{[H_2CO_3]\ } \ \ (\text{thường thay }[H_2CO_3]\text{ bằng }[CO_2^*])
12. ]
13. Phân ly lần 2:
14. [
15. \mathrm{HCO_3^- \rightleftharpoons H^+ + CO_3^{2-}}
16. ]
17. Biểu thức (K_{a2}):
18. [
19. K_{a2}=\dfrac{[H^+][CO_3^{2-}]}{[HCO_3^-]}
20. ]

Ngoài ra có cân bằng ion nước:

[

K_w=[H^+][OH^-]

]

Và Henry (khí ↔ hòa tan):

[

[CO_2^*]=k_H; p_{CO_2}

]

(trong đó (k_H) phụ thuộc vào nhiệt độ).

b) Tại sao pH nước hồ giảm khi (p_{CO_2}) tăng?

Giải thích dạng lời: khi áp suất riêng CO(_2) trong không khí (hoặc khu vực ô nhiễm) tăng, theo định luật Henry thì lượng CO(2) hòa tan (([CO_2^*])) trong nước tăng tỉ lệ thuận với (p{CO_2}). CO(_2^) (hay H(_2)CO(3)) phân ly một phần theo phản ứng ( \mathrm{H_2CO_3 \to H^+ + HCO_3^-} ) (với (K{a1})). Do đó tăng ([CO_2^]) làm tăng nồng độ (H^+) tạo ra, nên (pH) giảm (dung dịch trở nên axit hơn). Đây là cơ chế axít hóa do CO(_2) (ví dụ mưa axit do CO(_2) là dạng nhẹ so với SO(_2), NOx nhưng vẫn làm giảm pH nước).

c) Nếu (p_{CO_2}) tăng gấp đôi — ảnh hưởng chung lên ([H^+]), ([HCO_3^-]) (định tính và phương pháp tính)

Định tính:

• Khi (p_{CO_2}) tăng gấp đôi ⇒ ([CO_2^*]) (hoặc ([H_2CO_3])) tăng gấp đôi (theo Henry).
• Tăng ([CO_2^*]) dẫn đến tăng phân ly lần 1 → tăng ([H^+]) và tăng ([HCO_3^-]).
• ([CO_3^{2-}]) cũng có thể tăng nhưng phần lớn cacbon vô cơ sẽ nằm ở dạng HCO(_3^-) trong vùng pH ~6–9 nên thay đổi CO(_3^{2-}) nhỏ hơn.

Xấp xỉ đơn giản (phương pháp nhanh):

Nếu ta giả sử:

• Bỏ qua phân ly lần 2 (CO(_3^{2-}) rất nhỏ) và bỏ qua (K_w) (autoion nước) so với phân ly H(_2)CO(_3),
• Gọi (x=[H^+]\approx[HCO_3^-]) (vì mỗi H(_2)CO(_3) phân ly cho 1 (H^+) và 1 (HCO_3^-)), và ([CO_2^*]=C).

Từ (K_{a1}=\dfrac{x\cdot x}{C}) ⇒ (x^2 = K_{a1},C) ⇒

[

[H^+] = x = \sqrt{K_{a1},[CO_2^]}.

]

Vì ([CO_2^]\propto p_{CO_2}), ta có:

[

[H^+] \propto \sqrt{p_{CO_2}}.

]

Do đó khi (p_{CO_2}) tăng gấp đôi, ([H^+]) tăng khoảng (\sqrt{2}) lần (≈ 1.414 lần). Tương ứng, pH giảm:

[

\Delta\mathrm{pH} = -\log_{10}!\left(\dfrac{[H^+]{\text{new}}}{[H^+]{\text{old}}}\right) = -\log_{10}(\sqrt{2}) \approx -0{,}15.

]

Vậy pH giảm khoảng 0,15 đơn vị trong mô hình xấp xỉ này; ([HCO_3^-]) cũng tăng gần bằng tỉ lệ (\sqrt{2}).

Ghi chú về độ chính xác:

• Kết quả trên là xấp xỉ hợp lý khi pH nằm trong vùng mà HCO(_3^-) chiếm ưu thế (khoảng 6–9) và khi phức tạp ion khác bỏ qua.
• Nếu muốn tính chính xác, cần giải hệ phương trình gồm:

1. Henry: ([CO_2^*]=k_H,p_{CO_2}).
2. Hai hằng số phân ly: (K_{a1},K_{a2}).
3. Bảo toàn tổng cacbon vô cơ (DIC): (\mathrm{DIC}=[CO_2^*]+[HCO_3^-]+[CO_3^{2-}]) (nếu DIC cố định do nguồn khác) — hoặc nếu pCO(_2) thay đổi từ khí áp vào nước thì DIC thay đổi theo Henry.
4. Điều kiện trung hòa điện tích (electroneutrality): nếu trong nước chỉ có hệ cacbonat thì ([H^+]=[HCO_3^-]+2[CO_3^{2-}]+[OH^-]); nếu có các ion khác (Ca²⁺, Mg²⁺, Na⁺, v.v.) phải thêm vào.
5. Và (K_w) cho ([OH^-]).

Giải hệ phi tuyến này (dùng phương pháp số — Newton, lặp, hoặc giải bằng phần mềm/Excel) sẽ cho kết quả chính xác cho ([H^+],[HCO_3^-],[CO_3^{2-}]).

Tóm tắt thực dụng:

• Doubling (p_{CO_2}) ⇒ ([H^*]) tăng ≈ (\sqrt{2}) lần ⇒ pH giảm ≈ 0,15 (xấp xỉ).
• ([HCO_3^-]) tăng tương tự; ([CO_3^{2-}]) tăng nhưng nhỏ hơn (phụ thuộc pH).
• Để tính chính xác: dùng (k_H, K_{a1}, K_{a2}, K_w) và giải hệ cân bằng + điện tích bằng phương pháp số.