Natronlauge im CO2-Gas-Gleichgewicht
Gegeben ist eine 20 mM NaOH-Lösung. Wie ändert sich deren pH-Wert bei langem Stehen an Luft? Wie viel CO2 gelangt dabei aus der Luft in die Lösung?
pH-Berechnung
Bei einem ausreichend langen Kontakt mit der Atmosphäre kommt es zur Gleichgewichtseinstellung mit dem CO2 der Luft. Wir lösen die Aufgabe in zwei Schritten:
| • pH von 20 mM NaOH ohne Luftkontakt | (geschlossenes CO2-System) | |
| • pH von 20 mM NaOH mit Luftkontakt | (offenes CO2-System) |
1. Geschlossenes System. Man beginnt mit reinem Wasser (Taste H2O), danach Taste Reac. Im Listenfeld wird bei “NaOH” der Wert 20 mmol/L eingetragen. Mit Start beginnt die Rechnung. Das Ergebnis wird sofort angezeigt:
| pH = 12.24 | (ohne CO2-Austausch) |
2. Offenes System. Man gehe wie in der ersten Teilaufgabe vor: Taste H2O, Taste Reac. Bevor man aber auf Start klickt, öffne man mit Setup die Einstellungen und aktiviere “Offenes CO2 System” — siehe rechts. Der schon voreingestellte Wert von pCO2 = 3.408 entspricht dem CO2-Partialdruck von Luft unter Normalbedingungen.
Das Ergebnis wird wie im rechten Screenshot angezeigt:
| pH = 9.33 | (mit CO2-Austausch) |
Durch den Luftkontakt und das Eindringen von CO2 (als Kohlensäure) sinkt also der pH-Wert der Natronlauge von 12.24 auf 9.33.
Eingetragene CO2-Menge
Die Gleichgewichtszusammensetzung der NaOH-Lösung mit Luftkontakt lautet:
| pH | = | 9.33 |
| Na | = | 20.00 mM |
| DIC | = | 17.33 mM |
Es gelangen somit 17.33 mM CO2 (pro Liter Lösung) aus der Atmosphäre in die NaOH-Lösung. Die zugehörige Speziierung findet man in der Ausgabetabelle Ionen (bei 25 und gerundet auf zwei Nachkommastellen):
| CO2(aq) | 0.01 mM | |
| HCO3- | 14.53 mM | |
| CO3-2 | 2.20 mM | |
| Na+ | 19.42 mM | |
| NaHCO3 | 0.12 mM | |
| NaCO3- | 0.46 mM |
Durch Aufsummation der Spezies lässt sich die Massenbilanz (Molbalance) leicht nachprüfen:
| [Na+] + [NaHCO3] + [NaCO3-] | = 20.00 mM |
| [CO2(aq)] + [HCO3-] + [CO3-2] + [NaHCO3] + [NaCO3-] | = 17.33 mM |
[Anmerkung: Beispiele zur Speziierung findet man als PowerPoint-Lecture hier.]