O dióxido de carbono representa, em média, 0,037% da composição volumétrica do ar seco atmosférico, nas condições ambientes. Esse gás, dissolvido em água, sofre um processo de hidratação para formar um ácido diprótico, que se ioniza parcialmente no líquido.
Admitindo-se que água pura seja exposta a COX2X(g) atmosférico, nas condições ambientes, e sabendo que o equilíbrio entre as fases gasosa e líquida desse gás é descrito pela lei de Henry, calcule:
a) a solubilidade do COX2, expressa em mgL−1 , nas condições especificadas acima, sabendo que a constante da lei de Henry para COX2 gasoso dissolvido em água a 25∘C é 3,4×10−2molL−1atm−1.
b) a concentração molar do ânion bicarbonato, expressa em molL−1, sabendo que a constante de dissociação ácida para o primeiro equilíbrio de ionização do ácido diprótico a 25∘C é 4,4×10−7 .
$• \ \text{a)}$ $\color{#3368b8}{\ce{0,6 mg/L}}$
A princípio, deve-se notar que a composição volumétrica (razão em volume) é a mesma que a razão em mol - conforme equação geral dos gases ideias, lembrando-se que a temperatura e pressão são constantes. Nesse sentido, deve-se começar por encontrar a pressão parcial do dióxido de carbono, para isso, tem-se a lei de Raoult: \begin{matrix}
P_{\ce{CO2}} = X_{\ce{CO2}} \cdot P_{\ce{atm}}
\end{matrix}Conforme condições ambientes, vulgo $\text{CATP}$, sabemos que $P_{\ce{atm}} = 1 \ \pu{atm}$, consequentemente:\begin{matrix}
P_{\ce{CO2}} = 0,037 \times 10^{-2} \ \pu{atm}
\end{matrix}Com o resultado acima, pode-se aplicar a lei de Henry a fim de encontrar a solubilidade, tal que:\begin{matrix}
S = K \cdot P_{\ce{CO2}}
\end{matrix}\begin{matrix} S = (3,4 \times 10^{-2})(0,037 \times 10^{-2})
\end{matrix}\begin{matrix} S = 1,258 \times 10^{-5} \ \pu{mol/L}
\end{matrix}Observe que o resultado acima está em $\pu{mol/L}$, porém, o enunciado solicita em $\pu{mg/L}$. Nesse contexto, conhecida a massa molar do dióxido de carbono, pode-se escrever:\begin{matrix}
S = \dfrac{1,258 \times 10^{-5} \ \ce{mol CO2}}{1 \ \pu{L}} \cdot \dfrac{44 \cdot 10^3 \ \ce{mg CO2}}{1 \ \ce{mol CO2}} \approx 0,6 \ \pu{mg/L}
\end{matrix}$• \ \text{b)}$ $\color{#3368b8}{\ce{2,38 \times 10^{-6} M}}$
Comecemos por observar que o enunciado foi bem caridoso ao explicitar que o gás sofre um processo de hidratação para formar um ácido diprótico, ou seja:\begin{matrix}
\ce{H2O_{(l)} + CO2_{(aq)} <=> H2CO3_{(aq)}}
\end{matrix}Analogamente, o enunciado informa que o ácido carbônico acima é capaz de se dissociar, tal que em sua primeira ionização, têm-se:\begin{matrix}\ce{ H2CO3_{(aq)} <=> HCO3-_{(aq)} + H+_{(aq)}}
\end{matrix}Pensando no equilíbrio químico,\begin{matrix} & \ce{ H2CO3_{(aq)} &<=>& HCO3-_{(aq)} &+& H+_{(aq)}} \\
\text{Início:}& x && 0 && 0 \\ \text{Variação:}& - y && y && y \\ \text{Final:}& x - y && y && y
\end{matrix}Pondere que $x$ não é nada mais que o $S$ já encontrado anteriormente, expresso em $\pu{mol/L}$. Por outro lado, já pensando na lei de ação das massas para o equilíbrio:\begin{matrix}
K = \dfrac{[\ce{HCO3-_{(aq)}}]\cdot [\ce{ H+_{(aq)}}]}{\ce{[H2CO3_{(aq)}} ]}
\end{matrix}Ou seja,\begin{matrix}
4,4 \times 10^{-7} = \dfrac{y \cdot y}{x-y}
\end{matrix}Agora, repare na constante de equilíbrio, verifica-se que ela está em $10^{-7}$, isto é, a ionização é muito baixa, logo, $x >> y$, tal que:\begin{matrix}
4,4 \times 10^{-7} \approx \dfrac{y \cdot y}{x}
\end{matrix}Então,\begin{matrix}
y^2 = (4,4 \times 10^{-7})(1,258 \times 10^{-5})
\end{matrix}Portanto,\begin{matrix}
\ce{[\ce{HCO3-_{(aq)}}]} = \ce{2,38 \times 10^{-6} M} \ \ \tiny{\blacksquare}
\end{matrix}