L'eau et le gaz carbonique.

La dissolution du CO2 .
Le " vocabulaire".
Le carbone "minéral" total : CMT
Répartition des espèces carbonatées

Lors du contact eau-gaz carbonique celui-ci se dissout :

CO_{2 gaz} CO_{2 aqueux}

La dissolution est régie par la loi de Henry si le temps de contact est suffisamment long.
Le CO_{2 aqueux} réagit avec l'eau et l'on peut représenter cette réaction par la formation d'un acide : l'acide carbonique (H₂CO₃) qui lui-même réagit pour former l'ion carbonate CO₃^2- et l'ion hydrogénocarbonate (couramment nommé ion bicarbonate) HCO₃^-.

L'acide carbonique n'existe aux conditions usuelles sous la forme indiquée qu'en concentration extrêmement faible.
De plus lors de sa dissolution le CO₂ va plus ou moins s'hydrater : la formulation fournie (H₂CO₃), est une simplification d'écriture.
Pour écrire la concentration en CO₂ dissous on utilisera alors la notation [H₂CO₃]^* ou encore [CO₂] avec [H₂CO₃]^* = CO_{2 aqueux} + H₂CO₃.
Remarque : Lors d'une mesure du CO₂ libre on réalise en fait le dosage de [H₂CO₃]^* : on ne peut mesurer distinctement le CO₂ "gaz" et les formes hydratées de CO₂.

 

Le "vocabulaire" du CO₂ :

On trouve dans la littérature des appellations qui concernent le CO_{2 et dont voici des définitions.}

Le CO₂ qui a réagit après dissolution dans l'eau se trouve donc sous deux formes :

CO₂ : Hydraté ou non, encore appelé CO₂ libre.
CO₂ : Combiné, encore appelé CO₂ lié.

Le CO₂ lié peut se présenter sous 2 formes :

Ion Hydrogénocarbonate HCO₃^-,
Ion carbonate CO₃^2- .

Le CMT ou CO₂ total

On définira le CO₂ total par : CO_2T =[H₂CO₃]^*+[HCO₃^-]+[CO₃^2-]

Le CO₂ total est aussi appelé carbone minéral total : CMT en mole ou millimole par litre.
Cette grandeur intervient dans l'étude de l'équilibre calco-carbonique de l'eau.

Les équations d'équilibres chimiques sont :

H₂CO₃ HCO₃^- + H⁺ (5)

HCO₃^- CO₃^2- + H⁺ (7)

Avec ces conventions d'écriture on peut décrire l'équilibre par la loi d'action de masse appliquée à (5) et (7) :

(6)

(8)

Les constantes de dissociations K₁ et K₂ sont données par leurs pK pour les températures de 0, 25, et 80ºC dans le tableau suivant :

Température en ºC	0	25	80
pK1	6,58	6,37	6,32
pK2	10,63	10,33	10,12

On peut aussi tracer cette répartition sur un diagramme logarithmique (en prenant un CMT égal à 1) :

Les points notés 1 et 2 correspondent à l'égalité des concentrations de deux espèces : soit pour pH=pK1 et pH=pK2 (ordonnée de -0,3=-log2).

Les courbes sont quasiment constituées de segments de droite de pente 0, 1 ou 2 en fonction du domaine de pH.

La droite d'ordonnées -2 ( concentrations égal à 1/100) permet de définir un seuil de négligeabilité.

Répartition des différentes espèces carbonatées.

Pour une concentration donnée en CMT la répartition des différentes espèces est fonction du pH.

Les diagrammes qui suivent présentent les résultats de l'étude des équilibres carboniques en fonction du pH à la température de 20ºC :

• répartition des différentes espèces carbonatées rapportées au CMT (c'est à dire la concentration de l'espèce divisée par la concentration en CMT).

Pour pH<4,4 l'espèce prédominante est le dioxyde de carbone : c'est le cas des boissons gazeuses ;
Pour pH=6,4 (pH=pK1) on a égalité des concentrations en dioxyde de carbone et en ions bicarbonates ; de même pour pH=10,4 (pH=pK2) on a égalité des concentrations en ions bicarbonates et en ions carbonates. Les points notés 1 et 2 correspondent à ces égalités de concentrations .
Au dessus de pH=12,4 l'espèce prédominante est l'ion carbonate.
En dessous de pH=8,3 l'espèce carbonate se trouve en quantité négligeable.

ZIP:Obtention des courbes de répartition.

ZIP:Feuille de calcul sous tableur.