Fortynnet og konsentrert svovelsyre er så viktige kjemikalier at verden produserer mer av dem enn noe annet stoff. Den økonomiske rikdommen til et land kan måles ved mengden svovelsyre det produserer.
Dissosiasjonsprosess
Svovelsyre brukes i form av vandige løsninger i ulike konsentrasjoner. Den gjennomgår en dissosiasjonsreaksjon i to trinn, og produserer H+ ioner i løsning.
H2SO4 =H+ + HSO4 -;
HSO4- =H + + SO4 -2.
Svovelsyre er sterk, og det første stadiet av dissosiasjonen er så intens at nesten alle de opprinnelige molekylene brytes ned til H+-ioner og HSO 4-1 -ioner (hydrosulfat) i løsning. Sistnevnte forfaller delvis ytterligere, frigjør enda et H+-ion og etterlater et sulfation (SO4-2) i løsning. Imidlertid råder hydrogensulfat, som er en svak syre, fortsatt.i løsning over H+ og SO4-2. Dens fullstendige dissosiasjon skjer bare når tettheten til svovelsyreløsningen nærmer seg tettheten til vann, det vil si med sterk fortynning.
Egenskaper til svovelsyre
Den er spesiell ved at den kan fungere som en normal syre eller som et sterkt oksidasjonsmiddel, avhengig av temperatur og konsentrasjon. En kald fortynnet løsning av svovelsyre reagerer med aktive metaller for å danne et s alt (sulfat) og frigjøre hydrogengass. For eksempel ser reaksjonen mellom kald fortynnet H2SO4 (forutsatt at den er fullstendig to-trinns dissosiasjon) og metallisk sink slik ut:
Zn + H2SO4 = ZnSO4+ H2.
Varmkonsentrert svovelsyre, med en tetthet på ca. 1,8 g/cm3, kan fungere som et oksidasjonsmiddel, som reagerer med materialer som norm alt er inerte overfor syrer, som f.eks. som metallisk kobber. Under reaksjonen oksideres kobber, og massen av syren avtar, det dannes en løsning av kobber(II)sulfat i vann og gassformig svoveldioksid (SO2) i stedet for hydrogen, som kan forventes når syren reagerer med metall.
Cu + 2H2SO4 =CuSO4 + SO 2 + 2H2 O.
Hvordan uttrykkes konsentrasjonen av løsninger generelt
Egentlig kan konsentrasjonen av en hvilken som helst løsning uttrykkes på forskjellige måtermåter, men den mest brukte vektkonsentrasjonen. Den viser antall gram av et oppløst stoff i en gitt masse eller volum av en løsning eller løsningsmiddel (vanligvis 1000 g, 1000 cm3, 100 cm3 og 1 dm 3). I stedet for massen til et stoff i gram, kan du ta mengden uttrykt i mol - da får du den molare konsentrasjonen per 1000 g eller 1 dm3 solution.
Hvis den molare konsentrasjonen ikke er definert i forhold til mengden av løsningen, men kun til løsningsmidlet, kalles det løsningens molalitet. Den er preget av uavhengighet av temperatur.
Ofte er vektkonsentrasjonen angitt i gram per 100 g løsemiddel. Multipliserer dette tallet med 100 %, får du det i vektprosent (prosentkonsentrasjon). Det er denne metoden som oftest brukes i bruk på svovelsyreløsninger.
Hver verdi av konsentrasjonen av en løsning bestemt ved en gitt temperatur tilsvarer dens meget spesifikke tetthet (for eksempel tettheten til en løsning av svovelsyre). Derfor preges løsningen noen ganger nettopp av den. For eksempel har en løsning av H2SO4, karakterisert ved en prosentkonsentrasjon på 95,72 %, en tetthet på 1,835 g/cm 3 ved t=20 °С. Hvordan bestemme konsentrasjonen av en slik løsning, hvis bare tettheten av svovelsyre er gitt? En tabell som gir en slik korrespondanse er en integrert del av enhver lærebok om generell eller analytisk kjemi.
Eksempel på konsentrasjonskonvertering
La oss prøve å gå fra én måte å uttrykke konsentrasjon påløsning til en annen. Anta at vi har en løsning av H2SO4 i vann med en prosentkonsentrasjon på 60 %. Først bestemmer vi den tilsvarende tettheten av svovelsyre. En tabell som inneholder prosentvise konsentrasjoner (første kolonne) og deres tilsvarende tettheter av en vandig løsning av H2SO4 (fjerde kolonne) er vist nedenfor.
Fra den bestemmer vi ønsket verdi, som er lik 1, 4987 g/cm3. La oss nå beregne molariteten til denne løsningen. For å gjøre dette er det nødvendig å bestemme massen til H2SO4 i 1 liter løsning og det tilsvarende antall mol syre
Volum okkupert av 100 g stamløsning:
100 / 1, 4987=66,7 ml.
Siden 66,7 milliliter av en 60 % løsning inneholder 60 g syre, vil 1 liter av den inneholde:
(60 / 66, 7) x 1000=899,55
Molvekten til svovelsyre er 98. Derfor vil antallet mol i 899,55 g av dens gram være:
899, 55 / 98=9, 18 mol.
Tettheten av svovelsyres avhengighet av konsentrasjonen er vist i fig. nedenfor.
Using sulfuric acid
Det brukes i ulike bransjer. Ved produksjon av jern og stål brukes det til å rense overflaten av metallet før det belegges med et annet stoff, det er involvert i dannelsen av syntetiske fargestoffer, samt andre typer syrer, som s altsyre og salpetersyre. Hun ogsåbrukes i produksjon av legemidler, gjødsel og eksplosiver, og er også et viktig reagens for fjerning av urenheter fra olje i oljeraffineringsindustrien.
Dette kjemikaliet er utrolig nyttig i hjemmet, og er lett tilgjengelig som en svovelsyreløsning brukt i blybatterier (som de som finnes i biler). En slik syre har typisk en konsentrasjon på ca. 30 % til 35 % H2SO 4 etter vekt, mens resten er vann.
For mange hjemmeapplikasjoner vil 30 % H2SO4 være mer enn nok til å møte dine behov. Industrien krever imidlertid også en mye høyere konsentrasjon av svovelsyre. Vanligvis, under produksjonsprosessen, viser det seg først å være ganske fortynnet og forurenset med organiske urenheter. Den konsentrerte syren oppnås i to trinn: først bringes den til 70%, og deretter - i andre trinn - heves den til 96-98%, som er grensen for økonomisk lønnsom produksjon.
Tetthet av svovelsyre og dens kvaliteter
Selv om nesten 99 % svovelsyre kan oppnås kort ved koking, reduserer det påfølgende tapet av SO3 ved kokepunktet konsentrasjonen til 98,3 %. Generelt er 98 %-varianten mer stabil i lagring.
Kommersielle karakterer av syre er forskjellige i prosentkonsentrasjon, og for dem velges de verdiene der krystalliseringstemperaturene er minimale. Dette gjøres for å redusere utfellingen av svovelsyrekrystaller.sediment under transport og lagring. Hovedvariantene er:
- Tårn (nitrøs) - 75 %. Tettheten av svovelsyre av denne typen er 1670 kg/m3. Få det såk alte. nitrøs metode, der brennegassen som oppnås under brenning av primære råvarer, som inneholder svoveldioksid SO2, i forede tårn (derav navnet på sorten) behandles med nitrøs (dette er også H2 SO4, men med nitrogenoksider oppløst i den). Som et resultat frigjøres syre- og nitrogenoksider, som ikke forbrukes i prosessen, men returneres til produksjonssyklusen.
- Kontakt – 92, 5-98, 0 %. Tettheten til 98 % svovelsyre av denne karakteren er 1836,5 kg/m3. Den er også oppnådd fra brenngass som inneholder SO2, og prosessen inkluderer oksidasjon av dioksid til anhydrid SO3 når den kommer i kontakt (derav navnet på sorten) med flere lag fast vanadiumkatalysator.
- Oleum - 104,5 %. Dens tetthet er 1896,8 kg/m3. Dette er en løsning av SO3 i H2SO4, der den første komponenten inneholder 20 %, og syrer - nøyaktig 104,5%.
- Høy prosentandel oleum - 114,6 %. Densiteten er 2002 kg/m3.
- Batteri - 92–94%.
Slik fungerer et bilbatteri
Driften til denne en av de mest massive elektriske enhetene er fullstendig basert på elektrokjemiske prosesser som skjer i nærvær av en vandig løsning av svovelsyre.
Bilbatteriet inneholder fortynnet svovelsyreelektrolytt ogpositive og negative elektroder i form av flere plater. De positive platene er laget av et rødbrunt materiale - blydioksid (PbO2), og de negative platene er laget av gråaktig "svampaktig" bly (Pb).
Fordi elektrodene er laget av bly eller blyholdig materiale, omtales denne typen batterier ofte som et blybatteri. Dens ytelse, dvs. størrelsen på utgangsspenningen, bestemmes direkte av strømtettheten til svovelsyre (kg/m3 eller g/cm3) fylt inn i batteriet som en elektrolytt.
Hva skjer med elektrolytten når batteriet er utladet
Blysyrebatterielektrolytten er en løsning av batterisvovelsyre i kjemisk rent destillert vann med en konsentrasjon på 30 % når den er fulladet. En ren syre har en tetthet på 1,835 g/cm3, en elektrolytt er omtrent 1,300 g/cm3. Når batteriet er utladet, skjer det elektrokjemiske reaksjoner i det, som et resultat av at svovelsyre tas fra elektrolytten. Tettheten til løsningskonsentrasjonen avhenger nesten proporsjon alt, så den bør avta på grunn av en reduksjon i elektrolyttkonsentrasjonen.
Så lenge utladningsstrømmen går gjennom batteriet, brukes syren nær elektrodene aktivt, og elektrolytten blir mer og mer fortynnet. Diffusjon av syre fra volumet av hele elektrolytten og til elektrodeplatene opprettholder en tilnærmet konstant intensitet av kjemiske reaksjoner og, som et resultat, produksjonenspenning.
I begynnelsen av utladningsprosessen skjer diffusjon av syre fra elektrolytten inn i platene raskt fordi det resulterende sulfatet ennå ikke har tettet porene i det aktive materialet til elektrodene. Når sulfat begynner å dannes og fylle porene på elektrodene, skjer diffusjonen langsommere.
Teoretisk sett kan du fortsette utladningen til all syren er oppbrukt og elektrolytten er rent vann. Erfaring viser imidlertid at utladninger ikke bør fortsette etter at tettheten til elektrolytten har sunket til 1,150 g/cm3.
Når tettheten synker fra 1.300 til 1.150 betyr det at det ble dannet så mye sulfat under reaksjonene, og det fyller alle porene i de aktive materialene på platene, det vil si nesten all svovelsyre. Tettheten avhenger av konsentrasjonen proporsjon alt, og på samme måte avhenger batteriladingen av tettheten. På fig. Batteriladningens avhengighet av elektrolytttettheten er vist nedenfor.
Endring av tettheten til elektrolytten er den beste måten å bestemme utladingstilstanden til et batteri, forutsatt at det brukes riktig.
Utladingsgrader for et bilbatteri avhengig av tettheten til elektrolytten
Tettheten bør måles annenhver uke, og avlesningene bør registreres kontinuerlig for fremtidig referanse.
Jo tettere elektrolytten er, jo mer syre inneholder den, og jo mer ladet batteriet. Tetthet i 1.300–1.280 g/cm3indikerer full lading. Som regel skilles følgende grader av batteriutladning avhengig av elektrolyttens tetthet:
- 1, 300-1, 280 - fulladet:
- 1, 280-1, 200 - mer enn halvtomt;
- 1, 200-1, 150 - mindre enn halvfull;
- 1, 150 - nesten tomt.
Et fulladet batteri har en spenning på 2,5 til 2,7 volt per celle før det kobles til bilnettet. Så snart en last kobles til, synker spenningen raskt til ca. 2,1 volt i løpet av tre eller fire minutter. Dette skyldes dannelsen av et tynt lag blysulfat på overflaten av de negative elektrodeplatene og mellom blyperoksydlaget og metallet til de positive platene. Sluttverdien på cellespenningen etter tilkobling til bilnettverket er ca. 2,15-2,18 volt.
Når det begynner å gå strøm gjennom batteriet i løpet av den første driftstimen, er det et spenningsfall til 2 V, på grunn av en økning i den indre motstanden til cellene på grunn av dannelsen av mer sulfat, som fyller porene på platene, og fjerning av syre fra elektrolytten. Kort før starten av strømflyten er tettheten til elektrolytten maksimal og lik 1.300 g/cm3. Til å begynne med skjer dets sjeldneri raskt, men deretter etableres en balansert tilstand mellom tettheten av syren nær platene og i hovedvolumet til elektrolytten, fjerning av syre fra elektrodene støttes av tilførsel av nye deler av syre fra hoveddelen av elektrolytten. I dette tilfellet er den gjennomsnittlige tettheten til elektrolyttenfortsetter å avta jevnt i henhold til avhengigheten vist i fig. høyere. Etter det første fallet, avtar spenningen saktere, hastigheten på reduksjonen avhengig av belastningen på batteriet. Tidsgrafen for utslippsprosessen er vist i fig. nedenfor.
Overvåke tilstanden til elektrolytten i batteriet
Et hydrometer brukes til å bestemme tettheten. Den består av et lite forseglet glassrør med en utvidelse i den nedre enden fylt med hagl eller kvikksølv og en gradert skala i den øvre enden. Denne skalaen er merket fra 1.100 til 1.300 med forskjellige verdier i mellom, som vist i fig. under. Hvis dette hydrometeret plasseres i en elektrolytt, vil det synke til en viss dybde. Ved å gjøre det vil den fortrenge et visst volum av elektrolytt, og når en likevektsposisjon er nådd, vil vekten av det fortrengte volumet ganske enkelt være lik vekten av hydrometeret. Siden elektrolyttens tetthet er lik forholdet mellom vekt og volum, og vekten til hydrometeret er kjent, tilsvarer hvert nivå av nedsenkingen i løsningen en viss tetthet.
Noen hydrometre har ikke en skala med tetthetsverdier, men er merket med inskripsjonene: "Ladet", "Halv utladning", "Full utladning" eller lignende.
