瓶裝汽水是一種碳酸飲料,其製備是利用亨利定律的原理,將數個大氣壓力的 \mathrm{CO_2(\mathit{g})} 壓入含糖及調味料飲用水的玻璃瓶中後,再加以密封。依據亨利定律,低溶解度的氣體在溶劑中的溶解度(S)與液面上該氣體的分壓(p)成正比,其比例常數稱為亨利定律常數(k_{\mathrm{H}}),關係式可表示如下:
S=k_{\mathrm{H}}\times p
式中的 S 與 p 的單位分別為體積莫耳濃度(M)與大氣壓力(atm),而 \mathrm{CO_2} 的 k_{\mathrm{H}} 與溫度的關係如圖6所示。
\mathrm{CO_2(\mathit{g})} 溶入水中生成 \mathrm{CO_2(\mathit{aq})} 後,小部分溶入水中的 \mathrm{CO_2(\mathit{aq})} 會與水反應形成 \mathrm{H_2CO_3(\mathit{aq})},在25℃時,其平衡反應式與平衡常數如下:
\mathrm{CO_2(\mathit{aq})+H_2O(\mathit{l})\rightleftharpoons H_2CO_3(\mathit{aq})} K_1=\frac{[\mathrm{H_2CO_3}(\mathit{aq})]}{[\mathrm{CO_2}(\mathit{aq})]}=1.6\times10^{-3}
而 \mathrm{H_2CO_3(\mathit{aq})} 在水中會解離成 \mathrm{H^+(\mathit{aq})} 與 \mathrm{HCO_3^-(\mathit{aq})},其平衡反應式與平衡常數如下:
\mathrm{H_2CO_3(\mathit{aq})\rightleftharpoons H^+(\mathit{aq})+HCO_3^-(\mathit{aq})} K_a=2.5\times10^{-4}
今有一未開罐的汽水瓶,於25℃時,瓶內上方的 \mathrm{CO_2(\mathit{g})} 壓力為2.5大氣壓,若其性質遵守亨利定律,試列出計算式,並求出下列數值。(每一子題2分,共6分)
- 下列平衡反應式的平衡常數。(2分)
\mathrm{CO_2(\mathit{aq})+H_2O(\mathit{l})\rightleftharpoons H^+(\mathit{aq})+HCO_3^-(\mathit{aq})}