Koncentracija in gostota žveplove kisline. Odvisnost gostote žveplove kisline na koncentraciji v akumulatorju

Razredčeni in koncentrirani žveplova kislina

Proces disociacije

Žveplova kislina se uporablja v obliki vodnih raztopin različnih koncentracij. Preide v reakcijo disociacije v dveh stopnjah, pri čemer dobimo H⁺-ioni v raztopini.

H₂Tako₄ = H⁺ + HSO₄^- ;

HSO₄^- = H ⁺ + Tako₄^-2 .

Žveplova kislina je močna in prva stopnja disociacije je tako intenzivna, da skoraj vse matične molekule razčlenijo na H⁺-ioni in HSO₄ ^-1 -ioni (vodikov sulfat) v raztopini. Slednji delno razpadajo, izolirajo drugi H⁺-ion in zapusti sulfatni ion (SO₄^-2 ) v raztopini. Vendar pa vodikov sulfat, ki je šibka kislina, še vedno prevladuje v raztopini nad H⁺ in SO₄^-2 . Njena popolna disociacija se zgodi le, ko se približuje gostota raztopine žveplove kisline gostota vode, to je pod močnim razredčevanjem.

Lastnosti žveplove kisline

Posebno je v tem, da lahko deluje kot normalna kislina ali kot močan oksidant - odvisno od njegove temperature in koncentracije. Hladno razredčena raztopina žveplove kisline reagira z aktivnimi kovinami, da se tvori sol (sulfat) in sprosti vodikov plin. Na primer, reakcija med hladnim razredčenim H₂Tako₄ (pod predpostavko popolne dvostopenjske disociacije) in kovinskega cinka je videti takole:

Zn + H₂Tako₄ =ZnSO₄ + H₂.

Vroča žveplova kislina je koncentrirana, gostota pa okoli 1,8 g / cm³, lahko deluje kot oksidant, reagira z materiali, ki so običajno inertni v kisline, kot npr. kovinski baker. Med reakcijo baker oksidira in kisla masa se zmanjša, raztopino bakrov sulfat (II) v vodi in plinastem žveplovem dioksidu (SO₂) namesto vodika, kar bi bilo pričakovati, ko kislina interagira s kovino.

Cu + 2H₂Tako₄ = CuSO₄ + Tako₂ + 2H₂ O.

Kako koncentracija raztopin na splošno

Pravzaprav se lahko koncentracija katere koli raztopine izrazi na različne načine, vendar je najbolj razširjena koncentracija teže. Prikazuje količino gramov raztopine v določeni masi ali prostornini raztopine ali topila (običajno 1000 g, 1000 cm³, 100 cm³ in 1 dm³). Namesto mase snovi v gramih lahko vzamete njeno količino, izraženo v molih, nato molarno koncentracijo 1000 g ali 1 dm³ rešitev.

Če se molska koncentracija določi glede na količino raztopine, vendar le na topilo, se imenuje molnost raztopine. Zanj je značilna temperaturna neodvisnost.

Pogosto je koncentracija teže navedena v gramih na 100 g topila. Če se ta številka pomnoži za 100%, se dobi v masnih odstotkih (odstotna koncentracija). To je metoda, ki se najpogosteje uporablja pri nanašanju na raztopine žveplene kisline.

Vsaka vrednost koncentracije raztopine, določena pri določeni temperaturi, ustreza zelo specifični gostoti (npr. Gostoti raztopine žveplove kisline). Zato je včasih rešitev za to rešitev značilna. Na primer, rešitev H₂Tako₄, označena z odstotno koncentracijo 95,72%, ima gostoto 1,835 g / cm³ pri t = 20 ° C Kako določiti koncentracijo takšne raztopine, če je podana zgolj gostota žveplove kisline? Tabela, ki daje takšno korespondenco, je sestavni del katerega koli učbenika o splošni ali analitični kemiji.

Primer ponovnega izračunavanja konverzije

Poskusimo se premakniti z enega načina izražanja koncentracije raztopine na drugo. Recimo, da imamo rešitev H₂Tako₄v vodi z odstotno koncentracijo 60%. Najprej določimo ustrezno gostoto žveplene kisline. Tabela, ki vsebuje odstotke (prvi stolpec) in ustrezne gostote vodne raztopine H₂Tako₄ (četrti stolpec) je prikazan spodaj.

Na njej določimo želeno vrednost, ki je enaka 1.4987 g / cm³. Izračunaj molarnost te raztopine. Za to je potrebno določiti maso H₂Tako₄v 1 liter raztopine in ustrezno število molov kisline.

Prostornina, ki zaseda 100 g osnovne raztopine:

100 / 1.4987 = 66,7 ml.

Ker v 66,7 mililitrih 60% raztopine vsebuje 60 g kisline, v 1 liter vsebuje:

(60 / 66,7) x 1000 = 899, 55 g.

Molska teža žveplene kisline je 98. Zato je število molov v 899,55 gramov gramov:

899,55 / 98 = 9,18 mol.

Odvisnost gostote žveplove kisline na koncentraciji je prikazana na sl. spodaj.

Uporaba žveplove kisline

Uporablja se v različnih panogah. Pri proizvodnji železa in jekla uporabljamo za čiščenje kovinske površine, preden je prekrita z drugo snovjo, ki sodeluje pri oblikovanju sintetična barvila kot tudi druge vrste kislin, kot klorovodikove in dušikove. Prav tako se uporablja pri proizvodnji farmacevtskih proizvodov, gnojila in eksplozive ter še vedno pomembna reagent v odstranitev nečistoč iz surove nafte v rafinerijah.

Ta kemikalija zelo uporabna v vsakdanjem življenju, in je lahko na voljo kot raztopina žveplove kisline, ki se uporablja v svinčeno-kislinskih (npr tistih, ki so v avtomobilih). Takšna kislina običajno v koncentraciji od okoli 30% do 35% H₂Tako ₄ Teža je voda.

Za veliko gospodinjskih aplikacij, 30% H₂Tako₄ bodo več kot dovolj za zadovoljitev njihovih potreb. Vendar pa v industriji in zahteva veliko večjo koncentracijo žveplove kisline. Značilno je, da med izdelavo je pridobil dovolj razredčeno in kontaminirane z organskimi vključkov. Koncentrirana kislina Dobimo v dveh fazah: prvič, je prilagojen na 70%, in potem - v drugem koraku - se dvigne na 96-98%, kar je omejitveni parameter za gospodarno izvedljiv proizvodnjo.

Gostota žveplove kisline in njenih sort

Čeprav je skoraj 99% žveplove kisline mogoče na kratko pridobiti pri vrenju, toda posledično izgubo SO₃ na vrelišču povzroči zmanjšanje koncentracije na 98,3%. Na splošno je sorta z znakom 98% stabilnejša pri shranjevanju.

Blagovne razrede kisline se razlikujejo po odstotni koncentraciji in za njih so izbrane tiste vrednosti, za katere so kristalizacijske temperature minimalne. To se naredi za zmanjšanje obarjanja kristalov žveplove kisline v usedlini med prevozom in skladiščenjem. Glavne sorte so:

• Tower (nitroza) - 75%. Gostota žveplove kisline v tem razredu je 1670 kg / m³. Spravi ga tako. metoda nitro, v kateri je kalciniran plin, ki vsebuje žveplov dioksid SO₂, v obloženih stolpih (torej ime sorte) obdelamo z nitro (to je tudi H₂Tako₄, ampak z dušikovimi oksidi, raztopljenimi v njej). Kot rezultat se sproščajo kisline in dušikovi oksidi, ki se ne porabijo v procesu, temveč se vrnejo v proizvodni cikel.
• Kontakt - 92,5-98,0%. Gostota žveplove kisline 98% te sorte je 1836,5 kg / m³. Dobimo jo tudi iz kalcinacijskega plina, ki vsebuje SO₂, pri čemer postopek obsega oksidacijo dioksida na anhidrid SO2₃ s svojim stikom (torej ime sorte) z več plasti trdnega vanadijevega katalizatorja.
• Oleum - 104,5%. Njegova gostota je 1896,8 kg / m³. Ta rešitev SO₃ v H₂Tako₄, v kateri prva komponenta vsebuje 20% in kisline - to je 104,5%.
• Oleum z visokim deležem - 114,6%. Njegova gostota je 2002 kg / m³.
• Baterija - 92-94%.

Kako je avtomobilska baterija

Delo te najobsežnejše elektrotehnične naprave v celoti temelji na elektrokemičnih procesih, ki se pojavljajo v prisotnosti vodne raztopine žveplene kisline.

Avtomobilska baterija vsebuje razredčen elektrolit žveplove kisline, pa tudi pozitivne in negativne elektrode v obliki več plošč. Pozitivne plošče so narejene iz rdečkasto rjavega materiala - svinčev dioksid (PbO₂) in negativno - iz sivke "spužve" svinca (Pb).

Ker so elektrode narejene iz svinca ali svinca, se ta tip akumulatorja pogosto imenuje svinčeno akumulatorsko baterijo. Njena učinkovitost, t.j. vrednost izhodne napetosti, neposredno določa, kakšna je trenutna gostota žveplove kisline (kg / m3 ali g / cm2³), napolnite baterijo kot elektrolit.

Kaj se zgodi z elektrolitom, ko se baterija izprazni?

Elektrolit svinčeve akumulatorske baterije je raztopina skladiščne žveplove kisline v kemično čisti destilirani vodi z odstotno koncentracijo 30% pri polni obremenitvi. Čista kislina ima gostoto 1,835 g / cm³, elektrolit - okoli 1.300 g / cm³. Ko se akumulator izprazni, v njej pride do elektrokemičnih reakcij, zaradi česar se žveplova kislina vzame iz elektrolita. Gostota koncentracije raztopine je skoraj sorazmerna, zato se mora znižati zaradi zmanjšanja koncentracije elektrolita.

Dokler praznilni tok teče skozi akumulator, se kislina v bližini svojih elektrod aktivno uporablja in elektrolit postane bolj razredčen. Difuzija kisline iz volumna celotnega elektrolita in plošč elektrode ohranja približno konstantno intenziteto kemijskih reakcij in posledično izhodno napetost.

Na začetku procesa raztovarjanja se difuzija kisline iz elektrolita v plošče zgodi hitro, ker nastali sulfat še ne zamaši pore v aktivnem materialu elektrod. Ko se sulfat začne oblikovati in napolni pore elektrod, se difuzija pojavi počasneje.

Teoretično lahko nadaljujete s praznjenjem, dokler se ne uporabi vsa kislina, elektrolit pa bo sestavljen iz čiste vode. Vendar izkušnje kažejo, da se izpusti ne smejo nadaljevati, ko se gostota elektrolita zmanjša na 1,150 g / cm³.

Ko gostota pada od 1.300 do 1.150, kar pomeni, da je veliko sulfat tvori med reakcijo, in zapolnjuje vse pore v aktivnem materialu na ploščah, tj. E. iz raztopine že izbran skoraj vse žveplovo kislino. Gostota je odvisna od koncentracije sorazmerno, in podobno, gostota naboja baterije je odvisna. Na sl. prikazuje odvisnost gostote elektrolita baterije.

Spreminjanje gostote elektrolita je najboljši način za ugotavljanje stanja izpraznitve akumulatorja, če se uporablja pravilno.

Stopnja praznjenja akumulatorja glede na gostoto elektrolita

Njegovo gostoto je treba izmeriti vsake dva tedna in zapisovanje odčitkov je treba hraniti za prihodnjo uporabo.

Večja gostota elektrolita, več kisline, ki jo vsebuje, in toliko, da je baterija napolnjena. Gostota 1.300-1.280 g / cm³ označuje poln poln. Praviloma se naslednje stopnje izpraznitve akumulatorja razlikujejo glede na gostoto elektrolita:

• 1.300-1.280 - v celoti zaračunan:
• 1.280-1.200 - več kot polovica izpraznjenih;
• 1.200-1.150 - manj kot polovica zaračunanih;
• 1.150 - praktično izpraznjeno.

V popolnoma napolnjene baterije pred povezavo svojega avtomobilski napajalno napetost vsake celice je 2,5-2,7 V. Takoj ko je priključen obremenitev, napetost hitro pade na približno 2,1 V. za tri ali štiri minute. To je posledica tvorbe tanko plastjo svinčevega sulfata na površini negativnih plošč elektrod in med vodilno plastjo in kovinsko peroksida pozitivne plošče. Končna vrednost celične napetosti po priključitvi na avtomobilsko omrežje je približno 2,15-2,18 voltov.

Ko tok začne teče skozi baterijo v prvi uri obratovanja, je padec napetosti 2 V. zaradi povečane odpornosti notranjih celic zaradi tvorbe velikih količin sulfata, ki zapolnjuje pore plošče in izbire elektrolita kisline. Kmalu pred začetkom uhajanja gostota toka Elektrolit je največji in znaša 1.300 g / cm³. Sprva je podtlačnimi hitro zgodi, potem pa določi uravnoteženo stanje med gostoto kisline bližini plošč in v bistvu elektrolitov izbirnih volumen elektrod podprt kisline pri vnosu novega kosa kisline iz množice elektrolita. Ob istem času se povprečna gostota elektrolita stalno zmanjšuje glede na odvisnost, prikazano na sl. višje. Po začetnem upadu se napetost počasneje zmanjša, hitrost njenega zmanjšanja pa je odvisna od obremenitve akumulatorja. Časovni diagram postopka praznjenja je prikazan na sl. spodaj.

Spremljanje elektrolita v akumulatorju

Za določanje gostote se uporablja merilnik gostote. Sestavljajo zaprti stekleni cevi z razširitvijo na spodnjem koncu, napolnjena z živim srebrom ali izstrelkom in stopenjski lestvici na zgornjem koncu. Ta lestvica je označena od 1.100 do 1.300 z različnimi vmesnimi vrednostmi, kot je prikazano na sl. spodaj. Če se ta hidrometer postavi v elektrolit, bo padel na določeno globino. Tako bo izpodrinila določeno količino elektrolitov, in ko je dosežen ravnotežni položaj, bo teža prestavljeno obsega ravno enaka vodomer teže. Ker je gostota elektrolita je izračunan kot razmerje njegove teže do volumna in teža hidrometra je znano, nato vsako stopnjo potopitve v raztopini ustreza določenemu gostote. Nekateri hidrometri imajo z vrednotami lestvice gostote, vendar so označeni z "obtožen", "pol prsta", "Full razrešnici" ali podobno.