Diagramma di Bjerrum

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Un diagramma di Bjerrum che riporta le variazioni del sistema del carbonato nell'acqua di mare a causa dell'acidificazione degli oceani.

Un diagramma di Bjerrum, dal nome del creatore il chimico danese Niels Janniksen Bjerrum, è un grafico della concentrazione di differenti specie di acidi poliprotici in una soluzione in funzione del pH,[1] quando la soluzione è in equilibrio chimico.

Poiché la variazione della concentrazione può differire di parecchi ordini di grandezza, si utilizza spesso una scala logaritmica; a volte si preferisce mettere in grafico i rapporti di concentrazione, al posto delle concentrazioni effettive e occasionalmente si mettono in grafico anche gli ioni H+ e OH.

Viene frequentemente messo in diagramma il sistema del carbonato, dove l'acido poliprotico (in questo caso diprotico) è l'acido carbonico, che può dissociarsi dando luogo a diossido di carbonio, bicarbonato e carbonato. In ambiente acido, la forma dominante è CO2; in ambiente basico è CO32−; nelle condizioni intermedie è HCO3. Si assume che ad ogni pH la concentrazione di acido carbonico sia trascurabile in confronto alla CO2, e pertanto l'acido non viene riportato nei diagrammi di Bjerrum. Questi diagrammi sono frequentemente utilizzati in chimica oceanica per tracciare la risposta dell'oceano ai cambi sia di pH che di carbonati e CO2.[2]

Si possono costruire diagrammi di Bjerrum anche per altri acidi poliprotici come l'acido salicilico, l'acido borico, l'acido solforico e l'acido fosforico.[1]

Equazioni del diagramma di Bjerrum per il sistema del carbonatomodifica | modifica wikitesto

Le concentrazioni all'equilibrio del diossido di carbonio, acido carbonico, ioni dell'idrogeno, bicarbonato e carbonato sono date da:

dove il suffisso 'eq' indica che si tratta di concentrazioni all'equilibrio, K1 è la costante di equilibrio per la reazione

CO2 + H2O ⇌ H+ + HCO3 (cioè la prima costante di dissociazione acida dell'acido carbonico),

K2 è la costante di equilibrio per la reazione

HCO3 ⇌ H+ + CO32− (cioè la seconda costante di dissociazione acida dell'acido carbonico),

e DIC è la concentrazione complessiva e invariante del carbonio inorganico totale dissolto nel sistema (DIC è l'acronimo dell'inglese:"Dissolved Inorganic Carbon"), cioè
CO2 + [HCO3 + [CO32−.
K1, K2 e DIC sono espresse in unità di concentrazione, mol/l.

La distribuzione delle tipologie di carbonio inorganico in funzione del pH, in acqua marina a 25 °C.

In un diagramma di Bjerrum queste tre equazioni vengono usate per mettere in grafico le tre specie in funzione di pH = –log10[H+eq, per ogni valore K1, K2 e DIC. Le frazioni in queste equazioni danno le proporzioni relative delle tre specie, per cui qualora non sia nota la DIC o le concentrazioni effettive, si possono mettere in grafico le proporzioni relative.

Queste equazioni mostrano che le curve per la CO2 e HCO3 si intersecano per [H+eq = K1, e le curve per HCO3 e CO32− si intersecano per [H+eq = K2. Pertanto i valori di K1 e K2 usati per creare un diagramma di Bjerrum, possono essere facilmente ricavati dal diagramma stesso, leggendo i valori di concentrazione ai punti di intersezione. Un esempio di diagramma con un asse Y lineare è mostrato nel grafico in figura.

È da notare che i valori di K1 e K2, e di conseguenza le curve del diagramma, variano sostanzialmente con la temperatura e la salinità.[3]

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  1. ^ a b C. B. Andersen, Understanding carbonate equilibria by measuring alkalinity in experimental and natural systems, in Journal of Geoscience Education, vol. 50, nº 4, 2002, pp. 389–403.
  2. ^ D.A. Wolf-Gladrow, Total alkalinity: the explicit conservative expression and its application to biogeochemical processes (PDF), in Marine Chemistry, vol. 106, nº 1, 2007.
  3. ^ Mook W, (2000), Chemistry of carbonic acid in water. In Environmental Isotopes in the Hydrological Cycle: Principles and Applications, pp. 143-165. (INEA / UNESCO: Paris). Chemistry of carbonic acid in water.