대기 중 이산화탄소(CO2)에 의한 산성비의 산도(pH)

대기 중 이산화탄소(CO2)에 의한 산성비의 산도(pH)

 

 

정상 대기 중에는 이산화탄소(CO2)가 약 380 ppm 정도 존재한다.

이것이 대기 중 수분에 포화되었을 때의 산도(pH)는?

 

 

 

이 문제를 풀기 위해서는

Henry의 법칙, 산 이온화 상수, pH의 정의를 알고 있어야 한다.

( 참고: Henry의 법칙 https://ywpop.tistory.com/1911 )

 

 

 

 

기체의 압력은 기체 분자의 운동에 의해 발생하므로,

대기 중 기체의 양과 기체의 분압이 비례한다고 가정하면,

380 ppm = 380×10^(-6) atm

 

 

 

Henry 법칙으로부터

용해된(수분에 포화된) 이산화탄소의 몰농도를 계산하면,

 

 

 

 

용해된 이산화탄소는 다음과 같이 이온화하며,

> 1단계 (탄산의 생성): CO2(g) + H2O(l) → H2CO3(aq)

> 2단계 (탄산의 이온화): H2CO3(aq) ⇌ H^+(aq) + HCO3^-(aq)

> 전체 반응식

 

 

 

위 반응의 산 이온화 상수(평형상수) 값은 다음과 같다.

K_a1 = 4.45×10^(-7)

( 산 이온화 상수는 문헌값이며, 문헌값은

참고하는 문헌에 따라 다소 차이가 날 수 있다. )

 

 

 

이온화 반응식과 산 이온화 상수 값으로부터

평형에서의 수소이온 농도를 계산할 수 있다.

 

 

 

 

용해된 이산화탄소가 이온화되더라도

대기 중에서 이산화탄소가 계속 공급되기 때문에,

이산화탄소의 농도는 일정하다고 가정하면,

 

 

 

 

CO2(aq) + H2O(l) ⇌ H^+(aq) + HCO3^-(aq)

 

K = [H^+][HCO3^-] / [CO2]

 

K = x^2 / C

 

x = [K × C]^(1/2)

( 참고 https://ywpop.tistory.com/4294 )

 

= [(4.45×10^(-7)) (1.29×10^(-5))]^(1/2)

= 2.4×10^(-6) M = [H^+]

 

 

 

따라서 산도, 즉 pH는 다음과 같다.

 

 

 

 

답: pH = 5.62

 

 

 

 

[ 참고: 탄산의 이온화상수(K_a1) 값 https://ywpop.tistory.com/4736 ]

H2CO3(aq) ⇌ H^+(aq) + HCO3^-(aq) ... K_a1 = 4.3×10^(-7)

 

[ 참고: Carbonic acid https://en.wikipedia.org/wiki/Carbonic_acid ]

 

[ 관련 예제 https://ywpop.tistory.com/9933 ] 25℃에서 대기 중에 노출된 물에 녹아있는 이산화탄소, CO2(aq)의 농도는 1.2×10^(-5) mol/L 정도이다. 이때 이 물의 pH는 얼마 정도인가?

 

 

 

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