bjerrumdiagram

Bjerrumdiagram for pH-likvektene karbondioksid (CO2 ), hydrogenkarbonat (HCO3-) og karbonat (CO3-). Ved pH lik pKa-verdiene er det like store mengder av de to formene, her med pK1= 6.35 og pK2= 10.33. Relative konsentrasjoner på y-aksen. Mengden karbonsyre (H2CO3) er liten i forhold til de andre formene og utelates ofte i Bjerrumdiagrammet.

Bjerrumdiagram for karbondioksid
Av .
Lisens: CC BY SA 3.0

Artikkelstart

Bjerrumdiagram er et diagram eller er kurve som viser sammenhengen mellom surhetsgrad (pH) og forholdet mellom mengden syre og den tilsvarende base, for eksempel de svake syrene karbonsyre, eddiksyre, fosforsyre, borsyre og kiselsyre, eller basen ammoniakk.

Faktaboks

Etymologi

Navn etter den danske kjemikeren Niels Bjerrum (1879-1958)

Også kjent som

Bjerrumplot, Bjerrum-plot

Bjerrumdiagram for karbonsyre viser sammenhengen mellom pH i vann og former for karbondioksid som finnes i omgivelsene for planter og alger som lever i vann, og i havforsuring. I havvann er det høy pH (pH>8), og bjerrumdigrammet viser at karbonet foreligger som hydrogenkarbonat. Bjerrumdiagram for ammonium og ammoniakk viser hvorfor ammonium er giftig for de fleste organismene. Det viser også en av grunnene til at man ikke må blande salmiakk med et klorblekemiddel som inneholder hypokloritt løst i lut (basisk). Bjerrumdiagrammet gjelder for både monoprote (1), diprote (2), triprote (3) og tetraprote (4) syrer, hvor tallet i parentes angir antall protoner (H+) i syren.

Bjerrumdiagram for karbondioksid

Bjerrumdiagrammet viser sammenhengen mellom pH og de forskjellige formene av karbondioksid (CO2) løst i vann. Ved lav pH er CO2 den dominerende formen, og ved høy pH, for eksempel i sjøvann, foreligger CO2 som hydrogenkarbonat (bikarbonat, HCO3-) og karbonat (CO32-). I nærvær av kalsium kan karbonat bli utfelt som kalsiumkarbonat (CaCO3), i formene kalsitt eller aragonitt, og er det største lageret for CO2 i verdenshavene. Bjerrumdiagrammet angir hvordan pH påvirker hvilken hovedform for CO2 som er tilgjengelig for fotosyntese i vann, samt respirasjon og gassutveksling mellom luft, lunger og blod. Imidlertid inneholder planter og dyr enzymet karbon anhydrase som katalyserer omsetning mellom karbondioksid og hydrogenkarbonat (bikarbonat), og kan forflytte likevekter enzymatisk.

Løselighet av gasser i væsker avhenger av fire faktorer (Henrys lov):

  1. Partialtrykket til gassen, og løseligheten øker med økende partialtrykk.
  2. Temperaturen til løsningsmiddelet. Løseligheten minsker generelt med økende temperatur, men forhold mellom mengden oksygen og karbondioksid i vannet endrer seg.
  3. Løselighet avhenger av hvor mye salt det er i løsningen. Løseligheten minsker med økende saltinnhold.
  4. Absorbsjonskoeffisienten til gassen. Bjerrumdiagrammet forklarer hvorfor det blir løst mer CO2 i vann enn det man forventer ut fra Henrys lov.

Syrekonstant og Henderson-Hasselbalch-ligningen

For en syre HA løst i vann gjelder generelt hvor A- er den tilsvarende base

HA + H2O ↔ H3O+ + A-

H+ er protoner og foreligger i vann som hydrioniumioner H3O+ Likevektkonstanten eller syrekonstanten Ka, også kalt Ks, (a= «acid», s-syre) er definert som

Ka= [H3O+][A-])/[HA]

Ved å bruke Briggske logaritmer (grunntall 10, log10) på begge sider av likhetstegnet, sette pH= -log10[H+] og pKa= -log10[Ka] får man Henderson-Hasselbalch-ligningen

pH = pKa + log10 ([A-]/[HA])

Ligningen har fått navn etter den amerikanske biokjemikeren Lawrence Joseph Henderson (1878–1945) og den danske legen og kjemikeren Karl Albert Hasselbalch (1874–1962). Når konsentrasjonen av [A-] er lik [HA] blir forholdet lik 1, log10 (1)= 0, det vil si pH er lik pKa. En buffer har størst bufferkapasitet i et pH-område omkring pKa.

Reaksjonen når karbondioksid (CO2) løser seg i vann (H2O) gir karbonsyre (H2CO3) som dissosierer i hydrogenkarbonat (bikarbonat, HCO3-) og H+. Karbonsyre har de to likevektskonstantene K1 og K2

CO2 + H2O ↔ H2CO3 ↔ H+ + HCO3-

Likevektskonstant K1 for delreaksjonen:

CO2 + H2O ↔ H+ + HCO3-

Likevektskonstant K2 for delreaksjonen:

HCO3- ↔ H+ + CO32-

Størrelsen på likevektskonstantene varierer med temperatur og saltholdighet (salinitet), og er således forskjellig i saltvann og ferskvann.

Total mengde oppløst karbon i vann er [CO2] + HCO3-] + [CO32-], hvor klammeparentes angir konsentrasjon.

De tilsvarende Henderson-Hasselbalch ligningene blir

pH= pK1 + log10([HCO3-]/[CO2])

pH= pK2 + log10 (CO32-]/([HCO3-])

Bjerrumdiagram for ammonium og ammoniakk

Bjerrumdiagram som viser pH likevekt mellom formene ammonium (NH4+) og flyktig ammoniakk (NH3). Ved pH lik pKa-verdien 9.25 er det like stor mengde av de to formene.

Bjerrumdiagram for ammoniakk
Av .
Lisens: CC BY SA 3.0

Det er pH-likevekt mellom ammonium (NH4+) og ammoniakk (NH3). Ammoniakk (NH3) er en illeluktene giftig gass, og ammonium (NH4+) er giftig for dyr og mange planter (ammoniumtoksisitet).

NH4+ ↔ NH3 + H+

Bjerrumdigrammet viser at ved lav pH (sure betingelser) er likevekten forskjøvet mot ammonium, men ved høy pH (basiske betingelser) er det ammoniakk som dominerer.

pH= pKa – log10(/[NH3]/ [NH4+])

En av grunnene til at ammonium er giftig for de fleste organismer er at ammoniakk som er uladet kan diffundere over cellemembraner og forstyrre pH og ionelikevekter i cellene. De fleste organismer har mekanismer for å kvitte seg med giftig ammonium fra nedbrytning av aminosyrene i protein. Vannlevende organismer skiller ut ammonium i vannmassene, mens landlevende dyr omsetter ammonium til urea og/eller urinsyre. Mest fordampning av ammoniakk fra husdyrgjødsel skjer som man kan se fra bjerrumdiagrammet ved høy pH. Rengjøringsmiddelet salmiakk inneholder ammoniumhydroksid (NH4OH), og blandes det med en løsning som er basisk avgis det giftig damp med ammoniakk.

Bjerrumdiagram for eddiksyre

Ved pH lik pKa er det like mengder eddiksyre (CH3COOH) og acetat (CH3COO-). En acetatbuffer har størst bufferkapasitet i et pH-område omkring pKa-verdien.
Bjerrumdigram for eddiksyre
Av .
Lisens: CC BY SA 3.0

Ved lav pH er eddiksyre udissosiert. Ved pH 4,76 hvor pH er lik pKa, så er halvparten (50 prosent) i sur form (CH3COOH) og den andre halvparten på baseform kalt acetat (CH3COO-) Ved høy pH (basisk) synker mengden av syreformen til null.

Les mer i Store norske leksikon

Kommentarer

Kommentaren din publiseres her. Fagansvarlig eller redaktør svarer når de kan.

Du må være logget inn for å kommentere.

eller registrer deg