Kohlendioxid in Wasser mit Alkalinität: Berechnung und grafische Darstellung der chemischen Gleichgewichte

150 Pages·2015·2.99 MB·German

by  Gerhard Hobiger (auth.)

Kohlendioxid in Wasser mit Alkalinität
Gerhard Hobiger
Kohlendioxid in Wasser
mit Alkalinität
Berechnung und grafische Darstellung
der chemischen Gleichgewichte
GerhardHobiger
FachabteilungGeochemie
GeologischeBundesanstalt
Wien
Österreich
ISBN978-3-662-45465-7 ISBN978-3-662-45466-4(eBook)
DOI10.1007/978-3-662-45466-4
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FürmeinenVater
Vorwort
Kohlendioxid, oder kurz CO , ist eine gasförmigeVerbindung, die man im tägli-
2
chenLebenoftantrifft.DasreichtvomerfrischendenSodawasseroderCO -Bädern
2
im Wellnessbereich über die – leider oft – in den Medien zu lesenden Gärgasun-
fällen bis zumVerursacher für die derzeit stattfindende Klimaerwärmung. Überall
spieltdasKohlendioxideineHauptrolle.ZumVerständnis,warumKohlendioxidbei
alldiesenVorgängenalseinerderHauptakteureinAktiontritt, müssendiechemi-
schen Gleichgewichte des Kohlendioxids betrachtet werden. In diesem Buch wird
dieWechselwirkungdesCO mitWasserberechnetundzurVeranschaulichunggra-
2
fisch dargestellt. Insgesamt sind es nur wenige Gleichgewichte, die berücksichtigt
werden müssen, sie sind jedoch voneinander abhängig. Zum besserenVerständnis
wirdallerdingsimmernureinechemischeReaktionbetrachtetunddiskutiert.
Daher ist das Ziel dieses Buches, ein besseres Verständnis der Kohlensäure-
gleichgewichte zu vermitteln. Es richtet sich an alle, die mit hydrochemischen
Problemstellungen, beidenendasKohlendioxidvonWichtigkeitist, zutunhaben;
es soll aber auch an fortgeschrittenen Lehrgängen der Hydrochemie Verwendung
findensowieeineHilfestellungfürStudierendeinhöherenSemesternsein,diesich
fürdiemathematischeBehandlungvonchemischenGleichgewichteninteressieren.
EswerdendietheoretischenGrundlagenfürdiechemischenGleichgewichteaus-
führlicherläutert,unddieabgeleitetenmathematischenGleichungenkönnendirekt
für eigene Berechnungen herangezogen werden. Sämtliche Berechnungen wurden
inMS-EXCEL®alsMakroprogrammiertundals3D-bzw.2D-Grafikendargestellt.
DerAutor hat alles exakt abgeleitet und auch mehrmals durch Parallelrechnungen
bzw. durchunterschiedlicheProgrammierungenverifiziert. Solltesichjedochtrotz
aller Sorgfältigkeit ein Fehler eingeschlichen haben, so ist der Verfasser für jede
KritikundVerbesserungsvorschlägedankbar.
An dieser Stelle möchte ich mich beim Springer-Verlag bedanken, der mir
während der Erstellung des Buches jederzeit und stets hilfreich zur Seite stand.
InsbesondererichtetsichdieserDankandenBetreuerHerrnDr.RainerMünzund
an Frau ImmeTechentin, die mir sehr vieleTipps und Ratschläge beimVerfassen
desManuskriptesgabunddiemühevolleAufgabederVorbereitungenfürdenSatz
übernahm.
VII
VIII Vorwort
Des Weiteren möchte ich mich auch bei meiner Frau und meinen Kindern be-
danken, die mich in der Zeit des Verfassens dieses Buches stets verständnisvoll
unterstützten.
ImOktober2014 GerhardHobiger
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung ..................................................... 1
Literatur ....................................................... 4
2 GrundlegendeDefinitionen ..................................... 5
2.1 pX-Wert .................................................. 5
2.1.1 pH-Wert............................................ 5
2.1.2 pK-Wert............................................ 6
2.2 IonenproduktdesWassers ................................... 7
2.3 Alkalinität ................................................ 8
2.3.1 VerhaltenderAlkalinitätfürverschwindendenPartialdruck
desKohlendioxids................................... 10
2.4 DasoffeneSystem ......................................... 12
Literatur ....................................................... 12
3 DasoffeneSystemvonKohlendioxidinWassermitAlkalinität ...... 15
3.1 DefinitiondesSystems ...................................... 15
3.2 ChemiedesSystems ........................................ 15
3.3 MathematischeBehandlungdesoffenenSystemsmitAlkalinität ... 16
3.3.1 TemperaturabhängigkeitderGleichgewichtskonstanten .... 19
3.3.2 Allgemeine mathematische Berechnung des
Gleichungssystems(3.6–3.9) ......................... 21
3.4 DieeinzelnenSystemeimoffenenSystemKohlendioxidinWasser
mitAlkalinität ............................................. 28
3.4.1 System 1 : f(p ,[H+],[HCO−])-Beziehungen
CO2 3
zwischen dem Partialdruck des Kohlendioxids,
der Wasserstoffionenkonzentration und der
Hydrogencarbonatkonzentration ....................... 29
3.4.2 System 2 : f(p ,[H+],[CO2−])-Beziehungen
CO2 3
zwischen dem Partialdruck des Kohlendioxids,
der Wasserstoffionenkonzentration und der
Carbonatkonzentration ............................... 34
3.4.3 System 3 : f(p [H+],[Alk])-Beziehungen
CO2
zwischen dem Partialdruck des Kohlendioxids, der
WasserstoffionenkonzentrationundderAlkalinität ........ 39
IX
X Inhaltsverzeichnis
3.4.4 System 4 : f(p ,[HCO−],[CO2−])-Beziehungen
CO2 3 3
zwischen dem Partialdruck des Kohlendioxids,
der Hydrogencarbonatkonzentration und der
Carbonatkonzentration .............................. 42
3.4.5 System 5 : f(p [HCO−],[Alk])-Beziehungen
CO2 3
zwischen dem Partialdruck des Kohlendioxids, der
HydrogencarbonatkonzentrationundderAlkalinität...... 44
3.4.6 System 6 : f(p [CO2−],[Alk])-Beziehungen
CO2 3
zwischen dem Partialdruck des Kohlendioxids, der
CarbonatkonzentrationundderAlkalinität.............. 48
3.4.7 System 7 : f([H CO ],[H+],[HCO−])-Beziehungen
2 3 3
zwischen der Kohlensäurekonzentration,
der Wasserstoffionenkonzentration und der
Hydrogencarbonatkonzentration ...................... 54
3.4.8 System 8 : f([H CO ],[H+],[CO2−])-Beziehungen
2 3 3
zwischen der Kohlensäurekonzentration,
der Wasserstoffionenkonzentration und der
Carbonatkonzentration .............................. 57
3.4.9 System 9 : f([H CO ],[H+],[Alk])-Beziehungen
2 3
zwischen der Konzentration an Kohlensäure, der
WasserstoffionenkonzentrationundderAlkalinität ....... 60
3.4.10 System 10 : f([H CO ],[HCO−],[CO2−])-
2 3 3 3
Beziehungen zwischen der Kohlensäurekonzentration,
der Hydrogencarbonatkonzentration und der
Carbonatkonzentration .............................. 63
3.4.11 System11: f([H CO ],[HCO−],[Alk])-Beziehungen
2 3 3
zwischen der Konzentration der Kohlensäure, der
HydrogencarbonatkonzentrationundderAlkalinität...... 65
3.4.12 System 12 : f([H CO ],[CO2−],[Alk])-Beziehungen
2 3 3
zwischen der Konzentration der Kohlensäure der
CarbonatkonzentrationundderAlkalinität.............. 67
3.4.13 System 13 : f([H+],[HCO−],[CO2−])-Beziehungen
3 3
zwischen der Wasserstoffionenkonzentration,
der Hydrogencarbonatkonzentration und der
Carbonatkonzentration .............................. 70
3.4.14 System 14 : f([H+],[HCO−],[Alk])-Beziehungen
3
zwischen der Wasserstoffikonenkonzentration, der
HydrogencarbonatkonzentrationundderAlkalinität...... 73
3.4.15 System 15 : f([H+],[CO2−],[Alk])-Beziehungen
3
zwischen der Wasserstoffionenkonzentration, der
CarbonatkonzentrationundderAlkalinität.............. 76
3.4.16 System 16 : f([HCO−],[CO2−],[Alk])-Beziehungen
3 3
zwischen der Hydrogencarbonatkonzentration, der
CarbonatkonzentrationundderAlkalinität.............. 80
3.5 AllgemeineBemerkungenzurVollständigkeitdesmathematischen
Formelsystems............................................. 83
Literatur ....................................................... 85
Inhaltsverzeichnis XI
4 DasoffeneSystemvonKohlendioxidinreinemWasserals
SpezialfalldesallgemeinenFallesmitAlkalinität................... 87
4.1 DasSystemKohlensäureundreinesWasser..................... 87
4.2 DieeinzelnenSystemeunddieAbleitungderzugehörigen
explizitenGleichungen...................................... 92
4.2.1 System 0*: f(p ,[H CO ])-Beziehungen zwischen
CO2 2 3
dem Partialdruck des Kohlendioxids und der
Kohlensäurekonzentration ........................... 92
4.2.2 System 3*: f(p ,[H+])-Beziehungen zwischen
CO2
dem Partialdruck des Kohlendioxids und der
Wasserstoffionenkonzentration........................ 94
−
4.2.3 System 5*: f(p ,[HCO ])-Beziehungen zwischen
CO2 3
dem Partialdruck des Kohlendioxids und der
Hydrogencarbonatkonzentration ...................... 96
4.2.4 System 6*: f(p ,[CO2−])-Beziehungen zwischen
CO2 3
dem Partialdruck des Kohlendioxids und der
Carbonatkonzentration .............................. 98
4.2.5 System 9*: f([H CO ],[H+])-Beziehungen
2 3
zwischen der Kohlensäurekonzentration und der
Wasserstoffionenkonzentration........................ 101
−
4.2.6 System 11*: f([H CO ],[HCO ])-Beziehungen
2 3 3
zwischen der Kohlensäurekonzentration und der
Hydrogencarbonatkonzentration ...................... 103
4.2.7 System 12*: f([H CO ],[CO2−])-Beziehungen
2 3 3
zwischen der Kohlensäurekonzentration und der
Carbonatkonzentration .............................. 104
4.2.8 System 14*: f([H+],[HCO−])-Beziehungen
3
zwischen derWasserstoffionenkonzentration und der
Hydrogencarbonatkonzentration ...................... 106
4.2.9 System 15*: f([H+],[CO2−])-Beziehungen
3
zwischen der Wasserstoffionenkonzentration und
derCarbonatkonzentration ........................... 108
4.2.10 System 16*: f([HCO−],[CO2−])-Beziehungen
3 3
zwischen der Hydrogencarbonatkonzentration und der
Carbonatkonzentration .............................. 110
Literatur ....................................................... 112
Anhang .......................................................... 113
Sachverzeichnis ................................................... 141