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 :

CO2 gaz CO2 aqueux

La dissolution est régie par la loi de Henry si le temps de contact est suffisamment long.
Le CO2 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 CO32- 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]* = CO2 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 CO2 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 CO32- .

Le CMT ou CO2 total

On définira le CO2 total par : CO2T =[H2CO3]*+[HCO3-]+[CO32-]

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- CO32- + 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 :

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.