Acidul sulfuric diluat și concentrat sunt substanțe chimice atât de importante încât lumea produce mai multe dintre ele decât orice altă substanță. Bogăția economică a unei țări poate fi măsurată prin cantitatea de acid sulfuric pe care o produce.
Proces de disociere
Acidul sulfuric este utilizat sub formă de soluții apoase de diferite concentrații. Acesta suferă o reacție de disociere în două etape, producând ioni H+ în soluție.
H2SO4 =H+ + HSO4 -;
HSO4- =H + + SO4 -2.
Acidul sulfuric este puternic, iar prima etapă a disocierii sale este atât de intensă încât aproape toate moleculele originale se descompun în H+-ioni și HSO 4-1 -ioni (hidrosulfat) în soluție. Acesta din urmă se descompune parțial în continuare, eliberând un alt ion H+-ion și lăsând un ion sulfat (SO4-2) în soluție. Cu toate acestea, hidrogenul sulfat, fiind un acid slab, încă predomină.în soluție peste H+ și SO4-2. Disocierea sa completă are loc numai atunci când densitatea soluției de acid sulfuric se apropie de densitatea apei, adică cu diluție puternică.
Proprietățile acidului sulfuric
Este special prin faptul că poate acționa ca un acid normal sau ca un agent oxidant puternic, în funcție de temperatură și concentrație. O soluție diluată la rece de acid sulfuric reacționează cu metalele active formând o sare (sulfat) și eliberează hidrogen gazos. De exemplu, reacția dintre diluat la rece H2SO4 (presupunând disocierea sa completă în două etape) și zincul metalic arată astfel:
Zn + H2SO4 = ZnSO4+ H2.
Acidul sulfuric concentrat la cald, cu o densitate de aproximativ 1,8 g/cm3, poate acționa ca un agent oxidant, reacționând cu materiale care sunt în mod normal inerte la acizi, cum ar fi ca cuprul metalic. În timpul reacției, cuprul este oxidat, iar masa acidului scade, se formează o soluție de sulfat de cupru (II) în apă și dioxid de sulf gazos (SO2) în loc de hidrogen, care ar fi de așteptat când acidul reacţionează cu metalul.
Cu + 2H2SO4 =CuSO4 + SO 2 + 2H2 O.
Cum se exprimă în general concentrația soluțiilor
De fapt, concentrația oricărei soluții poate fi exprimată în diferite modurimoduri, dar cea mai utilizată concentrație în greutate. Afișează numărul de grame de substanță dizolvată într-o anumită masă sau volum de soluție sau solvent (de obicei 1000 g, 1000 cm3, 100 cm3 și 1 dm 3). În loc de masa unei substanțe în grame, puteți lua cantitatea acesteia exprimată în moli - apoi obțineți concentrația molară la 1000 g sau 1 dm3 soluție.
Dacă concentrația molară este definită nu în raport cu cantitatea de soluție, ci numai cu solventul, atunci se numește molalitatea soluției. Se caracterizează prin independență față de temperatură.
Adesea, concentrația în greutate este indicată în grame per 100 g de solvent. Înmulțind această cifră cu 100%, o obțineți în procent de greutate (concentrație procentuală). Această metodă este cea mai des folosită în aplicarea soluțiilor de acid sulfuric.
Fiecare valoare a concentrației unei soluții determinată la o anumită temperatură corespunde densității sale foarte specifice (de exemplu, densitatea unei soluții de acid sulfuric). Prin urmare, uneori soluția este caracterizată tocmai de ea. De exemplu, o soluție de H2SO4, caracterizată printr-o concentrație procentuală de 95,72%, are o densitate de 1,835 g/cm 3 la t=20 °С. Cum se determină concentrația unei astfel de soluții, dacă este dată doar densitatea acidului sulfuric? Un tabel care oferă o astfel de corespondență este parte integrantă a oricărui manual de chimie generală sau analitică.
Exemplu de conversie a concentrației
Să încercăm să trecem de la un mod de a exprima concentrareasolutie la alta. Să presupunem că avem o soluție de H2SO4 în apă cu o concentrație procentuală de 60%. În primul rând, determinăm densitatea corespunzătoare a acidului sulfuric. Un tabel care conține concentrațiile procentuale (prima coloană) și densitățile corespunzătoare ale unei soluții apoase de H2SO4 (a patra coloană) este prezentat mai jos.
Din acesta determinăm valoarea dorită, care este egală cu 1, 4987 g/cm3. Să calculăm acum molaritatea acestei soluții. Pentru a face acest lucru, este necesar să determinați masa H2SO4 într-un litru de soluție și numărul corespunzător de moli de acid.
Volum ocupat de 100 g soluție stoc:
100 / 1, 4987=66,7 ml.
Deoarece 66,7 mililitri dintr-o soluție 60% conțin 60 g de acid, 1 litru din acesta va conține:
(60 / 66, 7) x 1000=899,55
Greutatea molară a acidului sulfuric este de 98. Prin urmare, numărul de moli conținute în 899,55 g de grame ale acestuia va fi:
899, 55 / 98=9, 18 mol.
Dependența densității acidului sulfuric de concentrație este prezentată în fig. mai jos.
Folosirea acidului sulfuric
Se aplică în diverse industrii. În producția de fier și oțel, este folosit pentru curățarea suprafeței metalului înainte de a fi acoperit cu o altă substanță, este implicat în crearea coloranților sintetici, precum și a altor tipuri de acizi, cum ar fi clorhidric și nitric. Si eautilizat în producția de produse farmaceutice, îngrășăminte și explozivi și este, de asemenea, un reactiv important în îndepărtarea impurităților din petrol în industria de rafinare a petrolului.
Această substanță chimică este incredibil de utilă în casă și este ușor disponibilă ca soluție de acid sulfuric folosită în bateriile plumb-acid (cum ar fi cele găsite în mașini). Un astfel de acid are de obicei o concentrație de aproximativ 30% până la 35% H2SO 4 în greutate, restul fiind apă.
Pentru multe aplicații de acasă, 30% H2SO4 va fi mai mult decât suficientă pentru a vă satisface nevoile. Cu toate acestea, industria necesită și o concentrație mult mai mare de acid sulfuric. De obicei, în timpul procesului de producție, se dovedește mai întâi a fi destul de diluat și contaminat cu impurități organice. Acidul concentrat se obține în două etape: mai întâi se aduce la 70%, iar apoi - în a doua etapă - se ridică la 96-98%, care este limita pentru producția viabilă din punct de vedere economic.
Densitatea acidului sulfuric și gradele sale
Deși aproape 99% acid sulfuric poate fi obținut pentru scurt timp prin fierbere, pierderea ulterioară de SO3 la punctul de fierbere reduce concentrația la 98,3%. În general, varietatea 98% este mai stabilă în depozit.
Calitățile comerciale de acid diferă în concentrația sa procentuală, iar pentru acestea sunt alese acele valori la care temperaturile de cristalizare sunt minime. Acest lucru se face pentru a reduce precipitarea cristalelor de acid sulfuric.sediment în timpul transportului și depozitării. Principalele soiuri sunt:
- Turn (azotat) - 75%. Densitatea acidului sulfuric de acest grad este de 1670 kg/m3. Ia-o așa-zis. metoda azotată, în care gazul de prăjire obținut în timpul prăjirii materiilor prime primare, care conține dioxid de sulf SO2, în turnuri căptușite (de unde și denumirea soiului) este tratat cu azot (acest este și H2 SO4, dar cu oxizi de azot dizolvați în el). Ca urmare, sunt eliberați acizi și oxizi de azot, care nu sunt consumați în proces, ci sunt returnați în ciclul de producție.
- Contact - 92, 5-98, 0%. Densitatea acidului sulfuric 98% din acest grad este de 1836,5 kg/m3. De asemenea, se obține din gaz de prăjire care conține SO2, iar procesul include oxidarea dioxidului la anhidridă SO3 atunci când intră în contact (deci numele soiului) cu mai multe straturi de catalizator solid de vanadiu.
- Oleum - 104,5%. Densitatea sa este de 1896,8 kg/m3. Aceasta este o soluție de SO3 în H2SO4, în care prima componentă conține 20 %, iar acizi - exact 104,5%.
- Procent mare de oleum - 114,6%. Densitatea sa este de 2002 kg/m3.
- Baterie - 92-94%.
Cum funcționează o baterie de mașină
Funcționarea acestui unul dintre cele mai masive dispozitive electrice se bazează complet pe procese electrochimice care au loc în prezența unei soluții apoase de acid sulfuric.
Bateria auto conține electrolit de acid sulfuric diluat șielectrozi pozitivi și negativi sub formă de mai multe plăci. Plăcile pozitive sunt realizate dintr-un material brun-roșcat - dioxid de plumb (PbO2), iar plăcile negative sunt din plumb „spongios” cenușiu (Pb).
Deoarece electrozii sunt fabricați din plumb sau din material care conține plumb, acest tip de baterie este adesea denumit baterie plumb-acid. Performanța sa, adică mărimea tensiunii de ieșire, este determinată direct de densitatea de curent a acidului sulfuric (kg/m3 sau g/cm3) introdus în baterie ca electrolit.
Ce se întâmplă cu electrolitul când bateria este descărcată
Electrolitul bateriei cu plumb-acid este o soluție de acid sulfuric al bateriei în apă distilată chimic pură la o concentrație de 30% când este complet încărcată. Un acid pur are o densitate de 1,835 g/cm3, un electrolit este de aproximativ 1,300 g/cm3. Când bateria este descărcată, în ea au loc reacții electrochimice, în urma cărora acidul sulfuric este preluat din electrolit. Densitatea concentrației soluției depinde aproape proporțional, așa că ar trebui să scadă din cauza scăderii concentrației de electrolit.
Atâta timp cât curentul de descărcare trece prin baterie, acidul din apropierea electrozilor acestuia este utilizat în mod activ, iar electrolitul devine din ce în ce mai diluat. Difuzia acidului din volumul întregului electrolit și către plăcile electrozilor menține o intensitate aproximativ constantă a reacțiilor chimice și, ca urmare, producția.tensiune.
La începutul procesului de descărcare, difuzia acidului din electrolit în plăci are loc rapid, deoarece sulfatul rezultat nu a înfundat încă porii din materialul activ al electrozilor. Pe măsură ce sulfatul începe să se formeze și să umple porii electrozilor, difuzia are loc mai lent.
Teoretic, puteți continua descărcarea până când se epuizează tot acidul și electrolitul este apă pură. Cu toate acestea, experiența arată că descărcările nu ar trebui să continue după ce densitatea electrolitului a scăzut la 1,150 g/cm3.
Când densitatea scade de la 1.300 la 1.150, aceasta înseamnă că s-a format atât de mult sulfat în timpul reacțiilor și umple toți porii din materialele active de pe plăci, adică aproape tot acidul sulfuric. Densitatea depinde proporțional de concentrație, iar în același mod și încărcarea bateriei depinde de densitate. Pe fig. Dependența încărcării bateriei de densitatea electroliților este prezentată mai jos.
Schimbarea densității electrolitului este cel mai bun mijloc de a determina starea de descărcare a unei baterii, cu condiția ca aceasta să fie utilizată corect.
Grade de descărcare a bateriei unei mașini în funcție de densitatea electrolitului
Densitatea sa ar trebui măsurată la fiecare două săptămâni, iar citirile ar trebui înregistrate continuu pentru referințe viitoare.
Cu cât electrolitul este mai dens, cu atât conține mai mult acid și bateria este mai încărcată. Densitate în 1.300-1.280g/cm3indică încărcare completă. De regulă, următoarele grade de descărcare a bateriei se disting în funcție de densitatea electrolitului:
- 1, 300-1, 280 - complet încărcat:
- 1, 280-1, 200 - mai mult de jumătate goale;
- 1, 200-1, 150 - mai puțin de jumătate plin;
- 1, 150 - aproape gol.
O baterie complet încărcată are o tensiune de 2,5 până la 2,7 volți pe celulă înainte de a fi conectată la rețeaua mașinii sale. De îndată ce o sarcină este conectată, tensiunea scade rapid la aproximativ 2,1 volți în trei sau patru minute. Acest lucru se datorează formării unui strat subțire de sulfat de plumb pe suprafața plăcilor cu electrozi negativi și între stratul de peroxid de plumb și metalul plăcilor pozitive. Valoarea finală a tensiunii celulei după conectarea la rețeaua auto este de aproximativ 2,15-2,18 volți.
Când curentul începe să circule prin baterie în prima oră de funcționare, are loc o scădere de tensiune la 2 V, din cauza creșterii rezistenței interne a celulelor din cauza formării mai multor sulfat, care umple porii plăcilor și îndepărtarea acidului din electrolit. Cu puțin timp înainte de începerea curgerii curentului, densitatea electrolitului este maximă și egală cu 1.300 g/cm3. La început, rarefacția sa are loc rapid, dar apoi se stabilește o stare echilibrată între densitatea acidului din apropierea plăcilor și în volumul principal al electrolitului, îndepărtarea acidului de către electrozi este susținută de furnizarea de noi părți ale acid din partea principală a electrolitului. În acest caz, densitatea medie a electrolituluicontinuă să scadă constant în funcție de dependența prezentată în Fig. superior. După căderea inițială, tensiunea scade mai lent, rata de scădere depinzând de sarcina pe baterie. Graficul de timp al procesului de descărcare este prezentat în fig. mai jos.
Monitorizarea stării electrolitului din baterie
Un hidrometru este folosit pentru a determina densitatea. Constă dintr-un tub mic de sticlă sigilat cu o expansiune la capătul inferior umplut cu împușcătură sau mercur și o scară gradată la capătul superior. Această scară este etichetată de la 1.100 la 1.300 cu diferite valori între ele, așa cum se arată în Fig. de mai jos. Dacă acest hidrometru este plasat într-un electrolit, se va scufunda la o anumită adâncime. Procedând astfel, va deplasa un anumit volum de electrolit, iar atunci când este atinsă o poziție de echilibru, greutatea volumului deplasat va fi pur și simplu egală cu greutatea hidrometrului. Deoarece densitatea electrolitului este egală cu raportul dintre greutatea sa și volumul și greutatea hidrometrului este cunoscută, fiecare nivel al imersiei sale în soluție corespunde unei anumite densități.
Unele hidrometre nu au o scară cu valori de densitate, dar sunt marcate cu inscripțiile: „Încărcat”, „Descărcare pe jumătate”, „Descărcare completă” sau similar.
