Dissolution du co2 dans leau en fonction de la température

Q: Quelle est linfluence de la température sur la solubilité du CO2 dans leau ?

Quand la température augmente, le CO2(g) se dissout moins dans leau. Avec le réchauffement climatique, les océans se réchauffent et dissolvent moins le CO2(g) dont la quantité augmente dans latmosphère.

Q: Comment le CO2 se dissout dans leau ?

Quand le CO2 est dissout dans leau, quelle soit douce (terrestre) ou salée (océans), de lacide carbonique se forme: Cet acide carbonique se dissocie en libérant ses atomes dhydrogène. Quand son premier atome est libéré, il se forme un ion bicarbonate: Le pH de leau contrôle cette réaction.

Q: Comment la solubilité du dioxygène dans leau dépend de la température ?

La concentration doxygène dissous dans leau varie en fonction de la température, de la pression atmosphérique, de laltitude… Plus la température est élevée, plus la solubilité de loxygène dans leau est faible.

Q: Pourquoi le CO2 est peu soluble dans leau ?

Il est peu soluble. CO2 na pas de moment dipolaire non plus, mais il est formé de deux liaisons qui ont chacune un moment dipolaire. Il est donc plus soluble dans leau que O2. Dautre part, il forme avec H2O une nouvelle molécule : H2CO3.

Dissolution du dioxyde de carbone dans l'eau.

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Quelle est l'influence de la température sur la solubilité du CO2 dans l'eau ?
Comment le CO2 se dissout dans l'eau ?
Comment la solubilité du dioxygène dans l'eau dépend de la température ?
Pourquoi le CO2 est peu soluble dans leau ?

Le dioxyde de carbone se dissout dans l'eau en donnant une solution, si�ge des �quilibres suivants, � 298 K :
(1) CO2(g) = CO2(aq) K1� = 3,39 10-2.
(2) CO2(aq) +H2O(l) = H2CO3 (aq) K2� = 2,51 10-3.
(3) H2CO3 (aq) +H2O(l) = HCO3-aq + H3O+aq K3� = 1,58 10-4.
(4) HCO3-aq +H2O(l) =CO32-aq + H3O+aq K4� = 5,01 10-11.
Structures et r�activit�.
Structure de Lewis.
Repr�senter une structure de Lewis pour chacune des esp�ces suivantes : H2O, CO2, CO32-.

Dans l'ion carbonate, peut-on pr�voir des longueurs de liaison �gales ?

Les structures m�som�res ci-dessus permettent de pr�voir des liaisons �quivalentes, de longueur interm�diaire entre une liaison simple et une liaison double.
Approche orbitalaire et r�activit�.
Parmi les orbitales mol�culaires ( OM) de CO2 et H2O sont repr�sent�es ci-dessous les HO ( hautes occup�es ) et BV ( basses vacantes ).

Quelle orbitale mol�culaire traduit la r�activit� �lectrophile de CO2 ? Est-ce en accord avec la pr�vision qu'on peut faire � partir de sa structure de Lewis ?
La r�activit� �lectrophile de CO2 est due � la BV : celle-ci poss�de le plus gros coefficient sur le carbone. Cela est en accord avec la structure de Lewis.

Quelle orbitale mol�culaire traduit la r�activit� nucl�ophile de H2O ? Est-ce en accord avec la pr�vision qu'on peut faire � partir de sa structure de Lewis ?
La r�activit� �lectrophile de H2O est due � la HO : celle-ci poss�de le plus gros coefficient sur l'atome d'oxyg�ne.
Cela est en accord avec la structure de Lewis, seul l'atome d'oxyg�ne poss�de des doublets non liants.
Une �tude th�orique de la r�action du dioxyde de carbone avec l'eau a permis d'envisager pour la r�action 2 une �tape trimol�culaire o� interviennent deux mol�cules d'eau ( �tat de transition cyclique � 6 centres ).
Sch�matiser la r�action du dioxyde de carbone avec l'eau en utilisant le symbolisme des fl�ches courbes.

Solubilit� de CO2. Dissolution du dioxyde de carbone contenu dans l'atmosph�re.
La pression partielle du dioxyde de carbone dans l'atmosph�re est �valu�e � 3,8 10-4 bar.
Evaluer la quantit� de mati�re de CO2 dissous � l'�quilibre dans 1 L d'eau pure � 25�C. Le r�sultat obtenu est-il coh�rent avec la mesure du pH d'une eau distill�e laiss�e longtemps � l'air libre : pH = 5,6 ?
On note h = [H3O+aq]�q ; PCO2, la pression partielle en CO2.
(1) CO2(g) = CO2(aq). K1� =[CO2(aq)] / PCO2 = 3,39 10-2 avec PCO2 =3,8 10-4 bar.
[CO2(aq)] =K1� PCO2 = 3,39 10-2 *3,8 10-4 =1,3 10-5 mol/L.
(2) CO2(aq) +H2O(l) = H2CO3 (aq) K2� =[H2CO3 (aq)] /[CO2(aq)] = 2,51 10-3.
[H2CO3 (aq)] = K2�[CO2(aq)] =2,51 10-3*1,3 10-5 =3,2 10-8 mol/L.
En milieu acide, [CO32-aq] est n�gligeable. La solution �tant �lectriquement neutre : [HCO3-aq] =[H3O+aq].
(3) H2CO3 (aq) +H2O(l) = HCO3-aq + H3O+aq. K3� = h2 /[H2CO3 (aq)]=1,58 10-4.
h = (K3� [H2CO3 (aq)])� =(1,58 10-4*3,2 10-8)� =2,3 10-6 mol/L ; pH =-log(2,3 10-6) = 5,6.
Cette valeur est coh�rente avec la mesure du pH d'une eau distill�e rest�e logtemps � l'air libre, l'�quilibre �tant atteint.
Le dioxyde de carbone est-il responsable des pluies acides ? Sinon citer une autre esp�ce chimique possible.
Le pH d'une pluie acide �tant inf�rieur � 5,6, le dioxyde de carbone n'est pas le seul en cause. Le dioxyde de soufre et les oxydes d'azote apportent leur contribution.

Les boissons gaz�ifi�es.
On consid�re une bouteille d'eau, pr�alablement pure, gaz�ifi�e sous une pression de CO2 �gale � 4,0 bar.
Evaluer la masse de CO2 contenue dans 1 L de cette eau et le pH correspondant.
[CO2(aq)] =K1� PCO2 = 3,39 10-2 *4,0 =0,1356 ~0,14 mol/L; m = 0,1356 *M(CO2) ~6,0 g.
[H2CO3 (aq)] = K2�[CO2(aq)] =2,51 10-3*0,1356 =3,4 10-4 mol/L.
h = (K3� [H2CO3 (aq)])� =(1,58 10-4*3,4 10-4)� =2,3 10-4 mol/L ; pH =-log(2,3 10-4) = 3,6.
Le site officiel d'une eau gaz�ifi�e annonce que les bouteilles contiennent 7 g/L de CO2. Le pH est 5,5.
Comment est-ce possible ?
L'eau gaz�ifi�e doit contenir d'autres esp�ces chimiques : certaines, comme HCO3-, tamponnent le milieu.
Solubilit� de CO2, influence du pH.
La boisson �tudi�e contient un acidifiant qui lui conf�re un pH de 2,5. Elle contient 5 � 8 g de CO2 par litre.

s : solubilit� de CO2 et c� = 1,00 mol/L, concentration de r�f�rence.
Donner l'expression de s en fonction de h=[H3O+] et de p=PCO2 �q.
s = [CO2(aq)] +[H2CO3 (aq)] +[HCO3-aq] +[CO32-aq].
s =[CO2(aq)] ( 1 +[H2CO3 (aq)] / [CO2(aq)] +[HCO3-aq]/ [CO2(aq)] +[CO32-aq]/ [CO2(aq)] ).
s = K1� PCO2( 1 +K2� + K2� K3� / h + K2� K3�K4� / h2).
Retrouver l'�quation du segment de droite situ� entre pH = 6,4 et pH = 10,3.
Dans cette zone de pH, HCO3- pr�domine : s ~[HCO3-aq] =K1� PCO2K2� K3� / h.
log s ~ log (K1� PCO2K2� K3�) -log h = log (K1� PCO2K2� K3�) +pH ;
-log s = -log (K1� PCO2K2� K3�) - pH = -log (3,39 10-2 * 3,8 10-4*2,51 10-3* 1,58 10-4 ) -pH =11,3 -pH.
Evaluer la pression � l'int�rieur de la bouteille.
5 / 44 = 0,1136 mol/L ; 8/44 =0,1818 mol/L d'o� 0,11 < [CO2 aq] < 0,18 mol/L.
PCO2 = [CO2 aq] /K1� ; 0,1136 /(3,39 10-2) < PCO2 < 0,1818 /(3,39 10-2) ; 3,4 < PCO2 < 5,4 bar.
Evaluer la solubilit� du CO2 dans cette boisson laiss�e � l'air libre, � l'�quilibre thermodynamique en admettant que le pH ne change pas.
A pH= 2,5, -log s = 4,9 ; s ~1,3 10-5 mol/L.

L'expression du potentiel chimique d'un gaz parfait est �gaz = ��gaz + RT ln (Pgaz / P�) o� P� d�signe la pression standard et Pgaz la pression partielle du gaz consid�r�.
Comment est modifi�e l'expresion du potentiel chimique dans le cas d'un gaz r�el ?
On remplace la pression partielle du gaz par la fugacit� f du gaz. Pour des pressions inf�rieures � 10 bar, CO2 peut �tre assimiler � un gaz parfait.
Donner l'expression du potentiel chimique de CO2aq en prenant la r�f�rence " solut� infiniment dilu�" dans l'�chelle des concentrations. Etablir la loi de Henry pour le dioxyde de carbone.
�sol = �� sol + RT ln [CO2] / c�) ; � l'�quilibre chimique : �gaz =�sol.
��gaz + RT ln (Pgaz / P�) = �� sol + RT log [CO2] / c�) ; ln (Pgaz / P�) =(�� sol -��gaz + ) / (RT) + ln [CO2] / c�).
Pgaz = P� [CO2] / c� exp((�� sol -��gaz + ) / (RT)).
Une �tude de l'influence de la temp�rature T sur la valeur de K1� fournit les r�sultats suivants :

T(�C)	5	10	15	20	25	30
pK1�	1,20	1,27	1,34	1,41	1,47	1,54

On d�finit et calcule les grandeurs X = 1/T ( K-1) et Z = ln K1�.

Pr�voir qualitativement le signe de l'enthalpie standard de dissolution du dioxyde de carbone dans l'eau.
K1� et en cons�quence [CO2(aq)], cro�t quand la temp�rature diminue. K1� =[CO2(aq)] / PCO2. La dissolution de CO2 est donc exothermique. DrH� < 0.
Evaluer num�riquement l'enthalpie standard de dissolution du dioxyde de carbone dans l'eau.
Int�grer la loi de Van't Hoff en faisant l'approximation d'Ellingham :
d (ln K1�) / dT = DrH� / (RT2) ; ln K1�T2 - ln K1�T1 = -DrH� / R ( 1/T2 - 1/T1).
Equation de la droite ci-dessus : ln K1� = 2627 / T-12,21 ; par identification : DrH� / R = -2627 ; DrH� = -2627*8.31 = -2,18 104 J / mol.
Pr�voir le signe de l'entropie standard de cette dissolution et l'�valuer num�riquement.
Les mol�cules de dioxyde de carbone sont solvat�es en solution, ce qui correspond � une diminution du d�sordre DrS� <0.
DrG� = DrH� - T DrS� = -RT ln K1� ; DrS� = R ln K1� +DrH� / T = 8,31 * (-3,4) +(-2,18 104 / 298) = -101 J mol-1 K-1.
Evaluer les pertes de mati�re en dioxyde de carbone ( mol) d'un litre de boisson en �quilibre avec la pression en dioxyde de carbone dans l'atmosph�re lorsque la boisson est chauff�e � 100 �C.
ln K1� = 2627 / 373 -12,21 = -5,167 ; K1� =5,7 10-3. [CO2(aq)] =K1� PCO2 =5,7 10-3 *3,8 10-4 =2,17 10-6 ~2,2 10-6 mol/L.
Perte : 1,3 10-5 - 2,2 10-6= 1,1 10-5 mol.

Quelle est l'influence de la température sur la solubilité du CO2 dans l'eau ?

Quand la température augmente, le CO2(g) se dissout moins dans l'eau. Avec le réchauffement climatique, les océans se réchauffent et dissolvent moins le CO2(g) dont la quantité augmente dans l'atmosphère.

Comment le CO2 se dissout dans l'eau ?

Quand le CO₂ est dissout dans l'eau, qu'elle soit douce (terrestre) ou salée (océans), de l'acide carbonique se forme: Cet acide carbonique se dissocie en libérant ses atomes d'hydrogène. Quand son premier atome est libéré, il se forme un ion bicarbonate: Le pH de l'eau contrôle cette réaction.

Comment la solubilité du dioxygène dans l'eau dépend de la température ?

La concentration d'oxygène dissous dans l'eau varie en fonction de la température, de la pression atmosphérique, de l'altitude… Plus la température est élevée, plus la solubilité de l'oxygène dans l'eau est faible.

Pourquoi le CO2 est peu soluble dans leau ?

Il est peu soluble. CO₂ n'a pas de moment dipolaire non plus, mais il est formé de deux liaisons qui ont chacune un moment dipolaire. Il est donc plus soluble dans l'eau que O₂. D'autre part, il forme avec H₂O une nouvelle molécule : H₂CO₃.