Кратко по сути.
Стехиометрия:
\[
\mathrm{NaHCO_3} + \mathrm{CH_3COOH} \rightarrow \mathrm{CH_3COONa} + \mathrm{H_2O} + \mathrm{CO_2}\.
\]
Из уравнения: 1 моль $\mathrm{NaHC}{\mathrm{O}}_3$ даёт 1 моль $\mathrm{C}{\mathrm{O}}_2$. Поэтому при избытке уксусной кислоты
$$n_{C{O}_2}=n_{NaHC{O}_3}=\frac{m_{NaHC{O}_3}}{M_{NaHC{O}_3}}.$$ Если ограничивающий реагент — уксусная кислота, то
$$n_{C{O}_2}=n_{C{H}_{3}COOH}=\frac{m_{C{H}_{3}COOH}}{M_{C{H}_{3}COOH}}.$$ Общее правило: $n_{C{O}_2}=\min (n_{NaHC{O}_3},n_{C{H}_{3}COOH})$.
Переводы:
- масса $m$ в число молей: $n=\frac{m}{M}$.
- масса CO${}_2$: $m_{C{O}_2}=n_{C{O}_2}{M}_{C{O}_2}$ ( $M_{C{O}_2}\approx 44.01g/mol$ ).
- объём газа при условиях $T,P$ (идеальный газ): $$V_{C{O}_2}=\frac{n_{C{O}_2}RT}{P},$$ или при н.у. использовать молярный объём $V_m\approx 22.414L/mol$: $V\approx n_{C{O}_2}{V}_m$.
Пример: $5.00\mathrm{g}$ $\mathrm{NaHC}{\mathrm{O}}_3$ ($M\approx 84.01g/mol$) даёт
$$n=\frac{5.00}{84.01}\approx 0.0595\mathrm{mol},V_{C{O}_2(н.у.)}\approx 0.0595\cdot 22.414\approx 1.33\mathrm{L}.$$
Факторы, влияющие на скорость выделения CO2 (кратко, с объяснением):
- Концентрация и отношение реагентов: выше концентрация кислоты — быстрее протонирование $\mathrm{HC}{\mathrm{O}}_3^{-}$ и образование CO2.
- Температура: скорость химической стадии увеличивается по закону Аррениуса $k=A\exp (-\frac{E_a}{RT})$; кроме того растворимость CO2 уменьшается с ростом $T$, что ускоряет выпуск газа.
- Диффузия и массообмен: в растворе образование растворённого CO2 и его переход в газовую фазу зависят от диффузии; в подпираемых системах массообмен может быть лимитирующим.
- Нуклеация и рост пузырьков: требуется преодолеть поверхностное натяжение; наличие центров нуклеации (шероховатости, растворённые газы, поверхности) ускоряет отрыв пузырьков.
- Перемешивание и турбулентность: улучшают отвод CO2 от поверхности и снимают градиенты концентрации.
- Размер частиц твердого бикарбоната: чем мельче порошок — больше площадь и быстрее реакция.
- Давление: при повышенном внешнем давлении растворимость CO2 увеличивается (Генри), замедляя выделение в газовую фазу.
- Состав среды и буферность (pH, ионная сила): буферные или высоко ионизированные среды меняют активность и скорость протонирования $\mathrm{HC}{\mathrm{O}}_3^{-}$.
- Поверхностно-активные вещества: изменяют смачиваемость и поведение пузырьков, могут либо ускорить, либо замедлить отрыв.
Практические замечания для измерения скорости/количества:
- Количество: измерять объём газоводомером/шприцем/газовым бюретом или по потере массы сосуда.
- Скорость: записывать $V(t)$ или масса(t); часто наблюдаемая кинетика определяется не химической скоростью, а массопереносом/нуклеацией.
- Учитывать растворённый CO2 и возможную обратную диссоциацию: часть CO2 остаётся в растворе (Генри): $C_{aq}=k_H{p}_{C{O}_2}$.
Это основные количественные связи и факторы, влияющие на скорость выделения CO2 в системе бикарбонат натрия — уксусная кислота.