1. Hệ cân bằng cacbonat trong nước
Trong nước, cacbon vô cơ tồn tại chủ yếu ở ba dạng:
\[\mathrm{CO_2(aq) + H_2O \leftrightharpoons H_2CO_3 \leftrightharpoons H^+ + HCO_3^- \leftrightharpoons 2H^+ + CO_3^{2-}}\]
Ba hằng số cân bằng (ở 25°C):
\[\begin{aligned} K_1 &= 10^{-6.35} &(\mathrm{H_2CO_3 \leftrightharpoons H^+ + HCO_3^-})\\ K_2 &= 10^{-10.33} &(\mathrm{HCO_3^- \leftrightharpoons H^+ + CO_3^{2-}}) \end{aligned}\]
Tổng cacbon vô cơ (DIC) = [CO₂(aq)] + [HCO₃⁻] + [CO₃²⁻]
2. Tỷ lệ các dạng cacbonat theo pH
Ta có quan hệ:
\[\frac{[\mathrm{HCO_3^-}]}{[\mathrm{CO_2(aq)}]} = 10^{(\mathrm{pH} - 6.35)}, \qquad \frac{[\mathrm{CO_3^{2-}}]}{[\mathrm{HCO_3^-}]} = 10^{(\mathrm{pH} - 10.33)}\]
Từ đó tính được tỷ phần % mỗi dạng theo pH (chuẩn hóa theo tổng DIC):
| pH | CO₂(aq)/H₂CO₃ (%) | HCO₃⁻ (%) | CO₃²⁻ (%) | Vùng chi phối | Nhận xét |
|---|---|---|---|---|---|
| 4 | ≈ 99 | ≈ 1 | ≈ 0 | Axit mạnh | Mất đệm, toàn CO₂ |
| 5 | 96 | 4 | 0 | Axit yếu | Đệm yếu, pH dễ biến động |
| 6 | 80 | 20 | 0 | Cận trung tính thấp | Bắt đầu xuất hiện kiềm nhẹ |
| 7 | 10 | 90 | ~0 | Trung tính | Hệ đệm mạnh nhất |
| 8 | 2 | 96 | 2 | Trung tính cao | Đệm tốt, kiềm ổn định |
| 9 | 0.3 | 80 | 20 | Cận kiềm | Hệ đệm chuyển sang HCO₃⁻/CO₃²⁻ |
| 10 | 0.03 | 40 | 60 | Kiềm mạnh | Đệm yếu dần |
| 11 | 0 | 10 | 90 | Rất kiềm | Mất đệm, pH dao động nhanh |