Rozcieńczony i stężony kwas siarkowy to tak ważne substancje chemiczne, że świat produkuje ich więcej niż jakakolwiek inna substancja. Bogactwo gospodarcze kraju można mierzyć ilością wytwarzanego kwasu siarkowego.
Proces dysocjacji
Kwas siarkowy jest stosowany w postaci roztworów wodnych o różnych stężeniach. Podlega reakcji dysocjacji w dwóch etapach, wytwarzając jony H+ w roztworze.
H2SO4 =H+ + HSO4 -;
HSO4- =H + + SO4 -2.
Kwas siarkowy jest silny, a pierwszy etap jego dysocjacji jest tak intensywny, że prawie wszystkie pierwotne cząsteczki rozkładają się na jony H+ i HSO 4-1 -jony (wodorosiarczan) w roztworze. Te ostatnie częściowo ulegają dalszemu rozpadowi, uwalniając kolejny jon H+ i pozostawiając jon siarczanowy (SO4-2) w roztworze. Jednak nadal przeważa wodorosiarczan, będący słabym kwasem.w roztworze przez H+ i SO4-2. Jego całkowita dysocjacja następuje dopiero wtedy, gdy gęstość roztworu kwasu siarkowego zbliża się do gęstości wody, czyli przy silnym rozcieńczeniu.
Właściwości kwasu siarkowego
Jest wyjątkowy, ponieważ może działać jak normalny kwas lub jako silny środek utleniający, w zależności od temperatury i stężenia. Zimny rozcieńczony roztwór kwasu siarkowego reaguje z aktywnymi metalami, tworząc sól (siarczan) i uwalniając gazowy wodór. Na przykład reakcja pomiędzy zimnym rozcieńczonym H2SO4 (zakładając całkowitą dwustopniową dysocjację) a metalicznym cynkiem wygląda następująco:
Zn + H2SO4 = ZnSO4+ H2.
Gorący stężony kwas siarkowy, o gęstości około 1,8 g/cm3, może działać jako utleniacz, reagując z materiałami, które są zwykle obojętne na kwasy, takimi jak jak metaliczna miedź. Podczas reakcji miedź utlenia się, a masa kwasu zmniejsza się, zamiast wodoru powstaje roztwór siarczanu miedzi(II) w wodzie i gazowego dwutlenku siarki (SO2), czego można by się spodziewać, gdy kwas reaguje z metalem.
Cu + 2H2SO4 =CuSO4 + SO 2 + 2H2 O.
Jak ogólnie wyrażane jest stężenie roztworów
Właściwie stężenie dowolnego roztworu można wyrazić w różnychsposoby, ale najszerzej stosowana koncentracja wagi. Pokazuje liczbę gramów substancji rozpuszczonej w danej masie lub objętości roztworu lub rozpuszczalnika (zwykle 1000 g, 1000 cm3, 100 cm3 i 1 dm 3). Zamiast masy substancji w gramach można przyjąć jej ilość wyrażoną w molach - wtedy otrzymujemy stężenie molowe na 1000 g lub 1 dm3 roztwór.
Jeśli stężenie molowe określa się nie w odniesieniu do ilości roztworu, ale tylko do rozpuszczalnika, to nazywa się to molowością roztworu. Charakteryzuje się niezależnością od temperatury.
Często stężenie wagowe podaje się w gramach na 100 g rozpuszczalnika. Mnożąc tę liczbę przez 100%, otrzymujesz ją w procentach wagowych (stężenie procentowe). To właśnie ta metoda jest najczęściej stosowana w aplikacjach do roztworów kwasu siarkowego.
Każda wartość stężenia roztworu określonego w danej temperaturze odpowiada jego bardzo określonej gęstości (na przykład gęstości roztworu kwasu siarkowego). Dlatego czasami rozwiązanie charakteryzuje się właśnie tym. Na przykład, roztwór H2SO4, charakteryzujący się procentowym stężeniem 95,72%, ma gęstość 1,835 g/cm 3 w t=20 °С. Jak określić stężenie takiego roztworu, jeśli podana jest tylko gęstość kwasu siarkowego? Tabela podająca taką korespondencję jest integralną częścią każdego podręcznika z chemii ogólnej lub analitycznej.
Przykład przeliczania stężenia
Spróbujmy odejść od jednego sposobu wyrażania koncentracjirozwiązanie do innego. Załóżmy, że mamy roztwór H2SO4 w wodzie o stężeniu procentowym 60%. Najpierw określamy odpowiednią gęstość kwasu siarkowego. Tabela zawierająca stężenia procentowe (pierwsza kolumna) i odpowiadające im gęstości wodnego roztworu H2SO4 (czwarta kolumna) jest pokazana poniżej.
Z niego określamy żądaną wartość, która jest równa 1,4987 g/cm3. Obliczmy teraz molarność tego rozwiązania. W tym celu konieczne jest określenie masy H2SO4 w 1 litrze roztworu i odpowiednią liczbę moli kwasu.
Objętość zajmowana przez 100 g roztworu podstawowego:
100 / 1, 4987=66,7 ml.
Ponieważ 66,7 mililitrów 60% roztworu zawiera 60 g kwasu, 1 litr będzie zawierał:
(60/66,7) x 1000=899,55
Masa molowa kwasu siarkowego wynosi 98. Stąd liczba moli zawartych w 899,55 g jego gramów wyniesie:
899, 55 / 98=9, 18 mol.
Zależność gęstości kwasu siarkowego od stężenia przedstawiono na ryc. poniżej.
Korzystanie z kwasu siarkowego
Jest stosowany w różnych gałęziach przemysłu. W produkcji żelaza i stali służy do czyszczenia powierzchni metalu przed pokryciem go inną substancją, bierze udział w tworzeniu barwników syntetycznych, a także innych rodzajów kwasów, takich jak chlorowodorowy i azotowy. Ona teżstosowany w produkcji farmaceutyków, nawozów i materiałów wybuchowych, a także jest ważnym odczynnikiem do usuwania zanieczyszczeń z ropy naftowej w przemyśle rafinacji ropy naftowej.
Ta substancja chemiczna jest niezwykle przydatna w domu i jest łatwo dostępna jako roztwór kwasu siarkowego stosowany w akumulatorach kwasowo-ołowiowych (takich jak te, które można znaleźć w samochodach). Taki kwas ma zwykle stężenie wagowe około 30% do 35% H2SO 4, a resztę stanowi woda.
W przypadku wielu zastosowań domowych 30% H2SO4 będzie więcej niż wystarczające, aby spełnić Twoje potrzeby. Jednak przemysł wymaga również znacznie wyższego stężenia kwasu siarkowego. Zwykle podczas procesu produkcyjnego najpierw okazuje się, że jest dość rozcieńczony i zanieczyszczony zanieczyszczeniami organicznymi. Stężony kwas uzyskuje się w dwóch etapach: najpierw doprowadza się go do 70%, a następnie - w drugim etapie - podnosi się do 96-98%, co stanowi granicę opłacalnej ekonomicznie produkcji.
Gęstość kwasu siarkowego i jego stopnie
Chociaż prawie 99% kwasu siarkowego można uzyskać krótko przez gotowanie, późniejsza utrata SO3 w punkcie wrzenia zmniejsza stężenie do 98,3%. Ogólnie rzecz biorąc, odmiana 98% jest bardziej stabilna w przechowywaniu.
Komercyjne gatunki kwasu różnią się stężeniem procentowym i dla nich dobiera się te wartości, przy których temperatury krystalizacji są minimalne. Ma to na celu zmniejszenie wytrącania kryształów kwasu siarkowego.osad podczas transportu i przechowywania. Główne odmiany to:
- Wieża (podtlenek azotu) - 75%. Gęstość kwasu siarkowego tego gatunku wynosi 1670 kg/m3. Zdobądź to tzw. metoda azotowa, w której gaz prażenia uzyskany podczas prażenia surowców pierwotnych, zawierających dwutlenek siarki SO2, w wieżach wyłożonych (stąd nazwa odmiany) poddawany jest działaniu jest również H2 SO4, ale z rozpuszczonymi w nim tlenkami azotu). W rezultacie uwalniane są kwasy i tlenki azotu, które nie są zużywane w procesie, ale wracają do cyklu produkcyjnego.
- Kontakt - 92, 5-98, 0%. Gęstość 98% kwasu siarkowego tego gatunku wynosi 1836,5 kg/m3. Jest również otrzymywany z gazu prażenia zawierającego SO2, a proces obejmuje utlenianie dwutlenku do bezwodnika SO3 , gdy wchodzi w kontakt (stąd nazwa odmiany) z kilkoma warstwami stałego katalizatora wanadowego.
- Oleum - 104,5%. Jego gęstość wynosi 1896,8 kg/m3. Jest to rozwiązanie SO3 w H2SO4, w którym pierwszy składnik zawiera 20 %, a kwasy - dokładnie 104,5%.
- Wysoki procent oleum - 114,6%. Jego gęstość wynosi 2002 kg/m3.
- Bateria - 92-94%.
Jak działa akumulator samochodowy
Działanie tego jednego z najbardziej masywnych urządzeń elektrycznych jest całkowicie oparte na procesach elektrochemicznych zachodzących w obecności wodnego roztworu kwasu siarkowego.
Akumulator samochodowy zawiera rozcieńczony elektrolit kwasu siarkowego ielektrody dodatnie i ujemne w postaci kilku płytek. Płyty dodatnie wykonane są z czerwono-brązowego materiału - dwutlenku ołowiu (PbO2), a płyty ujemne z szarawego „gąbczastego” ołowiu (Pb).
Ponieważ elektrody są wykonane z ołowiu lub materiału zawierającego ołów, ten typ akumulatora jest często określany jako akumulator kwasowo-ołowiowy. Jego wydajność, tj. wielkość napięcia wyjściowego, jest bezpośrednio określana przez gęstość prądu kwasu siarkowego (kg/m3 lub g/cm3) wprowadzonego do akumulatora jako elektrolit.
Co dzieje się z elektrolitem, gdy akumulator jest rozładowany
Elektrolit akumulatora kwasowo-ołowiowego jest roztworem kwasu siarkowego akumulatora w chemicznie czystej wodzie destylowanej o stężeniu 30% po pełnym naładowaniu. Czysty kwas ma gęstość 1,835 g/cm3, elektrolit około 1300 g/cm3. Gdy akumulator jest rozładowany, zachodzą w nim reakcje elektrochemiczne, w wyniku których z elektrolitu pobierany jest kwas siarkowy. Gęstość stężenia roztworu zależy niemal proporcjonalnie, więc powinna się zmniejszać w wyniku spadku stężenia elektrolitu.
Dopóki prąd rozładowania przepływa przez akumulator, kwas w pobliżu jego elektrod jest aktywnie wykorzystywany, a elektrolit staje się coraz bardziej rozcieńczony. Dyfuzja kwasu z objętości całego elektrolitu i do płytek elektrod utrzymuje w przybliżeniu stałą intensywność reakcji chemicznych, a w efekcie wydajnośćnapięcie.
Na początku procesu rozładowania, dyfuzja kwasu z elektrolitu do płytek następuje szybko, ponieważ powstały siarczan nie zatkał jeszcze porów w aktywnym materiale elektrod. Gdy siarczan zaczyna się tworzyć i wypełniać pory elektrod, dyfuzja zachodzi wolniej.
Teoretycznie można kontynuować odprowadzanie, aż cały kwas zostanie zużyty i elektrolitem będzie czysta woda. Jednak doświadczenie pokazuje, że wyładowania nie powinny być kontynuowane po spadku gęstości elektrolitu do 1,150 g/cm3.
Gdy gęstość spada z 1,300 do 1,150, oznacza to, że podczas reakcji powstało tak dużo siarczanu, że wypełnia on wszystkie pory w materiałach aktywnych na płytkach, czyli prawie cały kwas siarkowy. Gęstość zależy proporcjonalnie od stężenia, podobnie ładunek akumulatora zależy od gęstości. Na ryc. Poniżej przedstawiono zależność ładunku akumulatora od gęstości elektrolitu.
Zmiana gęstości elektrolitu jest najlepszym sposobem określenia stanu rozładowania akumulatora, pod warunkiem, że jest on właściwie używany.
Stopnie rozładowania akumulatora samochodowego w zależności od gęstości elektrolitu
Gęstość powinna być mierzona co dwa tygodnie, a odczyty powinny być stale rejestrowane do wykorzystania w przyszłości.
Im gęstszy elektrolit, tym więcej zawiera kwasu i tym bardziej naładowany akumulator. Gęstość w 1.300-1.280 g/cm3wskazuje pełne naładowanie. Z reguły rozróżnia się następujące stopnie rozładowania akumulatora w zależności od gęstości elektrolitu:
- 1, 300-1, 280 - w pełni naładowany:
- 1, 280-1, 200 - ponad połowa pusta;
- 1, 200-1, 150 - mniej niż połowa pełna;
- 1, 150 - prawie pusty.
Całkowicie naładowany akumulator ma napięcie od 2,5 do 2,7 V na ogniwo przed podłączeniem do sieci w samochodzie. Po podłączeniu obciążenia napięcie gwałtownie spada do około 2,1 V w ciągu trzech lub czterech minut. Wynika to z tworzenia cienkiej warstwy siarczanu ołowiu na powierzchni płyt elektrod ujemnych oraz między warstwą nadtlenku ołowiu a metalem płyt dodatnich. Ostateczna wartość napięcia ogniwa po podłączeniu do sieci samochodowej wynosi około 2,15-2,18 woltów.
Gdy prąd zaczyna płynąć przez akumulator podczas pierwszej godziny pracy, następuje spadek napięcia do 2 V, ze względu na wzrost wewnętrznej rezystancji ogniw z powodu tworzenia się większej ilości siarczanu, który wypełnia pory płytek i usuwanie kwasu z elektrolitu. Krótko przed rozpoczęciem przepływu prądu gęstość elektrolitu jest maksymalna i wynosi 1300 g/cm3. Początkowo jego rozrzedzenie następuje szybko, ale potem ustala się stan równowagi między gęstością kwasu przy płytkach i w głównej objętości elektrolitu, usuwanie kwasu przez elektrody wspomagane jest doprowadzeniem nowych części elektrolitu. kwas z głównej części elektrolitu. W tym przypadku średnia gęstość elektrolitunadal stale maleje zgodnie z zależnością pokazaną na ryc. wyższy. Po początkowym spadku napięcie spada wolniej, tempo spadku zależy od obciążenia akumulatora. Wykres czasowy procesu wyładowania przedstawiono na ryc. poniżej.
Monitorowanie stanu elektrolitu w akumulatorze
Aremetr służy do określania gęstości. Składa się z małej, szczelnej szklanej rurki z rozszerzeniem na dolnym końcu, wypełnionej śrutem lub rtęcią i podziałką na górnym końcu. Skala ta jest oznaczona od 1.100 do 1.300 z różnymi wartościami pomiędzy, jak pokazano na ryc. poniżej. Jeśli ten areometr zostanie umieszczony w elektrolicie, opadnie na pewną głębokość. W ten sposób wyprze pewną objętość elektrolitu, a gdy zostanie osiągnięta pozycja równowagi, ciężar przemieszczonej objętości będzie po prostu równy ciężarowi areometru. Ponieważ gęstość elektrolitu jest równa stosunkowi jego masy do objętości, a masa areometru jest znana, każdy poziom jego zanurzenia w roztworze odpowiada określonej gęstości.
Niektóre hydrometry nie mają skali z wartościami gęstości, ale są oznaczone napisami: „Naładowany”, „Rozładowanie częściowe”, „Rozładowanie pełne” lub podobnymi.
