Wat chemische vergelijkingen

Het oplossen van CO₂ in water.

Als we CO₂ in water oplossen dan zien we in het schema hierboven dat er twee mogelijkheden zijn.

• Reaktie van 3 naar 2,   CO₂ wordt omgezet naar koolzuur (H₂CO₃).       CO₂ + H₂O H₂CO₃
• Reaktie van 3 naar 1,   CO₂ wordt omgezet naar H⁺ en HCO₃^-                 CO₂ + H₂O H⁺ + HCO₃^-

Het oplossen van CO₂ gebeurt dan ook in de twee stappen volgens de rode lijn op het driehoeksschema.
Ook het ontwijken van CO₂ voert langs deze lijn.
Stap 1.     CO₂ + H₂O H₂CO₃
Stap 2.     H₂CO₃ H⁺ + HCO₃^-

Bij het oplossen van CO₂ blijft het grootste deel gewoon als CO₂ in het water. Hoe lager de pH des te meer CO₂wordt er omgezet naar H₂CO₃. Dat is in de grafiek goed te zien.

Er is dus een evenwicht tussen CO₂ en H₂CO₃ volgens:
CO₂ + H₂O H₂CO₃
Waar dit evenwicht ligt is afhankelijk van de aanwezige concentraties en de pH.
Lage pH dan ligt het evenwicht rechts en is er veel H₂CO₃.
Hoge pH dan ligt het evenwicht links en is er weinig H₂CO₃.
Voeg je links CO₂ toe dan schuift het evenwicht meer naar rechts. Er wordt H₂CO₃ gevormd. Voeg je rechts H₂CO₃ toe dan gaat het evenwicht naar links er wordt CO₂ gevormd.

Toevoegen CO₂ beinvloed de pH, maar ook de KH?

Dat het toevoegen van CO₂ de pH beinvloed dat gelooft iedereen wel! Als je CO₂ toevoegd is dat duidelijk te merken. Maar beinvloed het CO₂ toevoegen ook de KH? De meningen onder aquarianen zijn verdeeld.
Nou, door CO₂ toevoegen kan het niet anders of de KH wordt beinvloed. Kijk maar naar de vergelijkingen.

We krijgen meer H₂CO₃ en kijken dan naar de vergelijking hieronder:
H₂CO₃ H⁺ + HCO₃^-
Links meer H₂CO₃ betekend dat het evenwicht naar rechts gaat.
We krijgen dus meer H⁺ en ook meer HCO₃^-
Meer H⁺ betekend een lagere pH door CO₂ toevoeren.
Meer HCO₃^- betekend een hogere KH door het toevoeren van CO₂

Nou mooi is dat!! En op de CO₂ mythes pagina zit ik te verkondigen dat de KH niet veranderd bij het toevoeren van CO₂. Hoe zit dat dan? Ehhhhh.....nou, het is zo dat de KH wel veranderd door het toevoeren van CO₂ maar dat dit zo weinig is dat het met een normaal meetsetje niet is te bepalen.

Meer CO₂, lagere pH en bijna gelijke KH, een voorbeeld

Een aquarium heeft de onderstaande waterwaarden. We gaan er wat extra CO₂ in stoppen om te kijken wat er gebeurd.

PH = 6,7 KH = 6 CO2 = 47,25 mg/ltr Extra CO2 toevoer van nog eens 47,25 mg/ltr Wat wordt de pH? Wat wordt de KH?

De verhoudingen in de grafiek zijn in mol. We moeten onze waarden eerst even naar mol omrekenen.

Het aandeel H₂CO₃ (0,000587%) en CO₃^2- is bij pH=6,7 zo klein die twee laten we nu even weg.

We hebben dus bij pH=6,7 en KH=6 in totaal:
2142 µmol/ltr HCO₃^- + 1074 µmol CO₂ = 3216 µmol

Het aandeel HCO₃^- is dan (2142/3216)*100 = 66,6 %
Het aandeel CO₂ is dan (1074/3216)*100 = 33,4 %

In de grafiek zien we dat bij een pH van 6,7 zo'n 33% als CO₂ aanwezig is en 67% als HCO₃^-.
Wat we net aan de hand van de waarden van het aquariumwater berekend hebben klopt dus mooi met de grafiek!

We gaan meer CO₂ toevoeren.

Wat gebeurt er nu als we extra CO₂ gaan toevoeren? Nou we zagen het al. Een deel blijft gewoon als CO₂ in het water zitten. Een zeer klein deel wordt omgezet naar H₂CO₃ en dat wordt weer omgezet naar H⁺ en HCO₃^-

Als we de CO₂ verdubbelen dan krijgen we ook dubbel zoveel H⁺ in het water.
We hadden 10^-6,7 = 0,199 mol aan H⁺ dit wordt dan 2*0,199 = 0,398 mol H⁺
De nieuwe pH wordt dan -log(0,398/1.000.000) = 6,4 (De faktor 1.000.000 is om van µmol naar mol te komen)

Als er 0,199 µmol aan H⁺ bij komt dan moet er dus ook 0,199 µmol aan HCO₃^- bij komen.
We hadden al 2142 µmol/ltr aan HCO₃^-
In de nieuwe situatie hebben we dus 2142+0,199 = 2142,199 µmol HCO₃^-
Dan wordt de nieuwe KH daarmee dus: 2142,199/357 = 6,000557

Hoe zit het nu met de verhoudingen?
In de nieuwe situatie krijgen we dus 2*47,25 = 94,5 mg/ltr CO2 en H₂CO₃
We krijgen dus 94,5 x 1000/44 = 2148 µmol CO₂

De KH was 2142,199 µmol
In totaal dus 2148 CO₂+ 2142,199 HCO₃^-= 4290,199 µmol.

De verhoudingen worden dan:
(2148/4290,199)*100 = 50,06% CO₂
(2142,199/4290,199)*100 = 49,93% HCO₃^-
Het aandeel H₂CO₃ is bij een pH van 6,4 iets gestegen naar 0,000587%

Kijken we in de grafiek bij een pH van 6,4 dan zien we inderdaad de 50/50% verhouding terug!

Conclusie: Door CO2 toevoer zakt de pH Door CO2 toevoer blijft de KH vrijwel gelijk.

Over het toevoegen van zuren

Het toevoeren van CO₂ heeft naar verhouding weinig effekt op de pH en al helemaal weinig op de KH. Dat komt omdat het meeste CO₂ niets doet. Alleen het deel dat naar koolzuur wordt omgezet zal reageren en omgezet worden naar H⁺ en HCO₃^-. Hoe zit het nu bij het toevoegen van een zuur?

Nou, we nemen meteen een goed sterk zuur als bijvoorbeeld zoutzuur. Chemisch bekend als HCl.
Zoutzuur lost in water op volgens de vergelijking:   HCl H⁺ + Cl^-

Het toegevoegde H⁺ kiest de snelste weg. Het reageert met HCO₃^- en er vormt zich H₂CO₃
En dit koolzuur valt weer grotendeels uit elkaar in CO₂ en in H₂O. In schemavorm:
H⁺ + HCO₃^- H₂CO₃ CO₂ + H₂O

We zien dat het toevoegen van een zuur toch een andere uitwerking heeft dan het toevoegen van CO₂
Door het toevoegen van een zuur wordt de KH (het HCO₃^-) afgebroken en omgezet naar CO₂. Bij het toevoegen van CO₂ bleef de KH vrijwel gelijk, ja nam zelfs nog heeeel ietsjes toe.

We maken weer eens een voorbeeld:

PH = 6,7 KH = 6 CO2 = 47,25 mg/ltr We voegen 39,2 mg/ltr zoutzuur toe Wat wordt de pH? Wat wordt de KH?

Zoutzuur heeft een molaire massa van (1+35,5)=36,5 gram/mol
39,2 mg/ltr zoutzuur is dus 39,2 x 1000/36,5 = 1074 µmol
In het vorige voorbeeld voegden we 1074 µmol CO₂ toe nu voegen we dus 1074 µmol HCl toe.
Dit splitst dus in 1074 µmol H⁺ en 1074 µmol Cl^-

We gaan eerst eens kijken wat er zou gebeuren met de pH als de KH=0 dus als er geen HCO₃^- aanwezig zou zijn.

We hadden 10^-6,7 H⁺ ionen. Dat is dus 0,199 µmol
Daar komt door het toevoegen van zoutzuur 1074 µmol H⁺ bij. In totaal hebben we dan 0,199 + 1074 = 1074,199 µmol H⁺
De nieuwe pH wordt dan (faktor 1000000 om naar mol te rekenen): -log(1074,199/1000000) = 2,97
Die pH klapt dus aardig in elkaar als we een zuur toevoegen bij KH=0

Maar we hadden KH=6 in ons voorbeeld. Wat gebeurd er dan? Bij KH=6 hebben we 6*357= 2142 µmol HCO₃^-
Het H⁺ reageert met het HCO₃^- waardoor er minder HCO₃^- over blijft.
Er blijft dan nog 2142 - 1074,199 = 1067,801 µmol HCO₃^- over.
Dit geeft dan een KH van: 1067,801/357 = 2,991
De KH is dus gehalveerd van 6 naar 3
Wat CO₂ niet lukt dat lukt een zuur dus wel. De KH wordt minder.

Maar we zijn er nog niet. Er wordt immers door het afbreken van de KH ook H₂CO₃ gevormd.
En dit valt weer uit elkaar in CO₂ en H₂O.
Door het toevoegen van een zuur krijgen we dus ook meer CO₂

Als er 1067,801 µmol H₂CO₃ wordt gevormd dan wordt er ook bijna net zoveel CO₂ gevormd. Een heeel klein deel blijft achter als H₂CO₃. Daar houden we even geen rekening mee.
Er was al 47,25x1000/44 = 1074 µmol CO₂ Daar komt dus nog eens 1074 µmol bij.
We hebben dus dubbel zoveel CO₂. Het CO2 gehalte stijgt dus naar 94,5 mg/ltr

Nu zijn we een stap verder. Een KH=3 en 94,5 mg/ltr CO2. Als we in een tabel of CO₂ calculator kijken dan zien we dat de pH dan zo'n 5,96 bedraagt.

Maar dat CO₂ gehalte blijft natuurlijk niet zo hoog! Door planten wordt een deel opgenomen een groot deel ontwijkt naar de atmosfeer. En op de duur komt het water weer terug naar het oude CO₂ gehalte van 47,25 mg/ltr.
De KH blijft dan 3 en bij 47,25 mg/ltr wordt de pH dan 6,26

Over de bufferwerking

In het vorige voorbeeld zagen we bij een KH=0 de pH van 6,7 naar 2,97 kelderen!
Wanneer we dit bij KH=6 deden dan zakte die naar 5,96 en als het CO₂ gehalte weer is gestabiliseerd naar een pH van 6,26

We zien dus duidelijk dat de KH een dempende invloed heeft op de pH daling wanneer een zuur wordt toegevoegd. Dit effekt noemen we nu de bufferwerking.

Bij een pH van 6,4 zagen we in de grafiek dat er een verdeling is van 50% CO2 en 50% HCO₃^-. Bij deze pH is de bufferwerking voor CO₂/HCO₃^- dan ook het grootste.

Opvallend is dat de grootste bufferwerking pas optreedt bij een voor onze aquarianen lage pH waarde van 6,4. Een waarde waarbij de meesten onder ons al witjes om de neus beginnen te worden omdat het water dan toch al wel erg zuur is. De angst voor vallende pH waarden is dan ook meestal ongegrond.