Por John Brennan, actualizado el 30 de agosto de 2022
En un sistema químico, el equilibrio se alcanza cuando las reacciones directa e inversa se desarrollan a igual velocidad. La posición de este equilibrio está gobernada por la termodinámica; específicamente, la energía liberada y el cambio de entropía durante el proceso. A una temperatura y presión dadas, la relación entre reactivos y productos está fijada por la constante de equilibrio. Cuando se conoce la presión parcial de CO₂, la constante de equilibrio se puede utilizar para calcular la concentración de bicarbonato, HCO₃⁻, en solución.
Todas estas reacciones son reversibles. Las constantes de equilibrio para cada paso nos permiten determinar las concentraciones relativas de CO₂, H₂CO₃, HCO₃⁻ y CO₃²⁻ en equilibrio.
Suponiendo que la temperatura ambiente (≈25°C) y la presión atmosférica estándar, normalmente consideramos que el carbonato (CO₃²⁻) está presente solo en cantidades traza cuando el pH de la solución es ≤9. En estas condiciones, dominan el CO₂ disuelto, el ácido carbónico (H₂CO₃) y el bicarbonato (HCO₃⁻). En medios altamente alcalinos (pH>9), el equilibrio se inclina hacia el bicarbonato y el carbonato, y el ácido carbónico se vuelve insignificante.
Utilizando la ley de Henry, la concentración de CO₂ disuelto viene dada por:
CO₂(ac) =(2,3×10⁻²molL⁻¹atm⁻¹)×P_CO₂
donde P_CO₂ es la presión parcial de CO₂ en atmósferas.
El ácido carbónico se forma a partir de CO₂ disuelto según la constante de equilibrio de la primera reacción. Una relación empírica es:
H₂CO₃ =(1,7×10⁻³molL⁻¹mol⁻¹L)×[CO₂(ac)]
Debido a que H₂CO₃ es un ácido débil, su disociación en H⁺ y HCO₃⁻ se puede aproximar utilizando la constante de disociación del ácido (K_a ≈ 4,3×10⁻⁷). Reorganizando la expresión para K_a se obtiene:
4,3×10⁻⁷ =[H⁺]² / [H₂CO₃]
Suponiendo electroneutralidad, [H⁺] ≈ [HCO₃⁻] en este rango de pH. Al resolver [HCO₃⁻] se obtiene la concentración de bicarbonato deseada:
[HCO₃⁻] =√(4,3×10⁻⁷×[H₂CO₃])
En equilibrio, el sistema equilibra las reacciones directa e inversa, vinculando la presión parcial de CO₂, el CO₂ disuelto, el ácido carbónico y el bicarbonato. Aplicando la ley de Henry y la constante de disociación ácida, puedes calcular la concentración de bicarbonato en una solución.
