Utspädd och koncentrerad svavelsyra är så viktiga kemikalier att världen producerar mer av dem än något annat ämne. Den ekonomiska rikedomen i ett land kan mätas genom mängden svavelsyra som det producerar.
Dissociationsprocess
Svavelsyra används i form av vattenlösningar med olika koncentrationer. Den genomgår en dissociationsreaktion i två steg, och producerar H+ joner i lösning.
H2SO4 =H+ + HSO4 -;
HSO4- =H + + SO4 -2.
Svavelsyra är stark, och det första steget av dess dissociation är så intensivt att nästan alla de ursprungliga molekylerna sönderdelas till H+-joner och HSO 4-1 -joner (hydrosulfat) i lösning. Den senare förfaller delvis ytterligare, frigör ytterligare en H+-jon och lämnar en sulfatjon (SO4-2) i lösning. Vätesulfat, som är en svag syra, råder dock fortfarande.i lösning över H+ och SO4-2. Dess fullständiga dissociation inträffar först när svavelsyralösningens densitet närmar sig vattnets densitet, det vill säga med kraftig utspädning.
Svavelsyras egenskaper
Den är speciell genom att den kan fungera som en normal syra eller som ett starkt oxidationsmedel, beroende på dess temperatur och koncentration. En kall utspädd lösning av svavelsyra reagerar med aktiva metaller för att bilda ett s alt (sulfat) och frigöra vätgas. Till exempel, reaktionen mellan kall utspädd H2SO4 (förutsatt dess fullständiga tvåstegsdissociation) och metalliskt zink ser ut så här:
Zn + H2SO4 = ZnSO4+ H2.
Varmkoncentrerad svavelsyra, med en densitet på cirka 1,8 g/cm3, kan fungera som ett oxidationsmedel, som reagerar med material som norm alt är inerta mot syror, som t.ex. som metallisk koppar. Under reaktionen oxideras koppar, och syrans massa minskar, en lösning av koppar(II)sulfat i vatten och gasformig svaveldioxid (SO2) bildas istället för väte, vilket skulle förväntas när syran reagerar med metall.
Cu + 2H2SO4 =CuSO4 + SO 2 + 2H2 O.
Hur uttrycks koncentrationen av lösningar generellt
Faktiskt kan koncentrationen av vilken lösning som helst uttryckas på olika sättsätt, men den mest använda viktkoncentrationen. Den visar antalet gram av ett löst ämne i en given massa eller volym av en lösning eller lösningsmedel (vanligtvis 1000 g, 1000 cm3, 100 cm3 och 1 dm 3). Istället för massan av ett ämne i gram kan du ta dess mängd uttryckt i mol - då får du molkoncentrationen per 1000 g eller 1 dm3 solution.
Om den molära koncentrationen inte definieras i förhållande till mängden lösning, utan endast till lösningsmedlet, så kallas det för lösningens molalitet. Det kännetecknas av oberoende av temperatur.
Ofta anges viktkoncentrationen i gram per 100 g lösningsmedel. Multiplicerar du denna siffra med 100 % får du den i viktprocent (procentuell koncentration). Det är denna metod som oftast används vid tillämpning på svavelsyralösningar.
Varje värde på koncentrationen av en lösning bestämt vid en given temperatur motsvarar dess mycket specifika densitet (till exempel densiteten för en lösning av svavelsyra). Därför präglas ibland lösningen just av den. Till exempel har en lösning av H2SO4, kännetecknad av en procentuell koncentration av 95,72 %, en densitet på 1,835 g/cm 3 vid t=20 °С. Hur bestämmer man koncentrationen av en sådan lösning, om bara svavelsyrans densitet anges? En tabell som ger en sådan korrespondens är en integrerad del av alla läroböcker om allmän eller analytisk kemi.
Exempel på koncentrationskonvertering
Låt oss försöka gå från ett sätt att uttrycka koncentrationlösning till en annan. Antag att vi har en lösning av H2SO4 i vatten med en procentuell koncentration på 60 %. Först bestämmer vi motsvarande densitet av svavelsyra. En tabell som innehåller procentuella koncentrationer (första kolumnen) och deras motsvarande densiteter för en vattenlösning av H2SO4 (fjärde kolumnen) visas nedan.
Från den bestämmer vi det önskade värdet, vilket är lika med 1, 4987 g/cm3. Låt oss nu beräkna molariteten för denna lösning. För att göra detta är det nödvändigt att bestämma massan av H2SO4 i 1 liter av lösning och motsvarande antal mol syra
Volym upptagen av 100 g stamlösning:
100 / 1, 4987=66,7 ml.
Eftersom 66,7 milliliter av en 60 % lösning innehåller 60 g syra, kommer 1 liter av den att innehålla:
(60 / 66, 7) x 1000=899,55
Svavelsyrans molvikt är 98. Följaktligen kommer antalet mol i 899,55 g av dess gram att vara:
899, 55 / 98=9, 18 mol.
Svavelsyrans densitets beroende av koncentrationen visas i fig. nedan.
Användning av svavelsyra
Det används i olika branscher. Vid tillverkning av järn och stål används det för att rengöra ytan på metallen innan den beläggs med ett annat ämne, det är involverat i skapandet av syntetiska färgämnen, såväl som andra typer av syror, såsom s altsyra och salpeter. Hon ocksåanvänds vid tillverkning av läkemedel, gödningsmedel och sprängämnen, och är också ett viktigt reagens för att avlägsna föroreningar från olja inom oljeraffineringsindustrin.
Denna kemikalie är otroligt användbar i hemmet och är lätt tillgänglig som en svavelsyralösning som används i blybatterier (som de som finns i bilar). En sådan syra har typiskt en koncentration på cirka 30 % till 35 % H2SO 4 i vikt, medan resten är vatten.
För många hemapplikationer kommer 30 % H2SO4 att vara mer än tillräckligt för att möta dina behov. Men industrin kräver också en mycket högre koncentration av svavelsyra. Vanligtvis, under produktionsprocessen, visar det sig först vara ganska utspätt och förorenat med organiska föroreningar. Den koncentrerade syran erhålls i två steg: först höjs den till 70% och sedan - i andra steget - höjs den till 96-98%, vilket är gränsen för ekonomiskt lönsam produktion.
Densitet av svavelsyra och dess kvaliteter
Även om nästan 99 % svavelsyra kan erhållas kort genom kokning, minskar den efterföljande förlusten av SO3 vid kokpunkten koncentrationen till 98,3 %. Generellt sett är 98 %-sorten mer stabil vid lagring.
Kommersiella kvaliteter av syra skiljer sig i sin procentuella koncentration, och för dem väljs de värden där kristallisationstemperaturerna är minimala. Detta görs för att minska utfällningen av svavelsyrakristaller.sediment under transport och lagring. De viktigaste sorterna är:
- Tower (nitrös) - 75 %. Densiteten för svavelsyra av denna kvalitet är 1670 kg/m3. Få det så kallade. nitrös metod, där den rostning gas som erhålls vid rostning av primära råvaror, innehållande svaveldioxid SO2, i fodrade torn (därav namnet på sorten) behandlas med nitrös (denna är också H2 SO4, men med kväveoxider lösta däri). Som ett resultat frigörs syra- och kväveoxider, som inte förbrukas i processen, utan återförs till produktionscykeln.
- Kontakt – 92, 5-98, 0 %. Densiteten för 98 % svavelsyra av denna kvalitet är 1836,5 kg/m3. Den erhålls också från rostningsgas som innehåller SO2, och processen inkluderar oxidation av dioxid till anhydrid SO3 när den kommer i kontakt (därav sortens namn) med flera lager av fast vanadinkatalysator.
- Oleum - 104,5 %. Dess densitet är 1896,8 kg/m3. Detta är en lösning av SO3 i H2SO4, där den första komponenten innehåller 20 %, och syror - exakt 104,5%.
- Hög procent oleum - 114,6 %. Dess densitet är 2002 kg/m3.
- Batteri - 92-94%.
Så fungerar ett bilbatteri
Den här en av de mest massiva elektriska enheterna är helt baserad på elektrokemiska processer som sker i närvaro av en vattenh altig lösning av svavelsyra.
Bilbatteriet innehåller utspädd svavelsyraelektrolyt ochpositiva och negativa elektroder i form av flera plattor. De positiva plattorna är gjorda av ett rödbrunt material - blydioxid (PbO2), och de negativa plattorna är gjorda av gråaktigt "svampigt" bly (Pb).
Eftersom elektroderna är gjorda av bly eller blyh altigt material, kallas denna typ av batteri ofta som ett blybatteri. Dess prestanda, d.v.s. storleken på utspänningen, bestäms direkt av strömtätheten för svavelsyra (kg/m3 eller g/cm3) fylld i batteriet som en elektrolyt.
Vad händer med elektrolyten när batteriet laddas ur
Blybatteriets elektrolyt är en lösning av batterisvavelsyra i kemiskt rent destillerat vatten med en koncentration på 30 % när den är fulladdad. En ren syra har en densitet på 1,835 g/cm3, en elektrolyt är cirka 1,300 g/cm3. När batteriet laddas ur sker elektrokemiska reaktioner i det, som ett resultat av vilka svavelsyra tas från elektrolyten. Tätheten av lösningskoncentrationen beror nästan proportionellt, så den bör minska på grund av en minskning av elektrolytkoncentrationen.
Så länge urladdningsströmmen flyter genom batteriet, används syran nära dess elektroder aktivt, och elektrolyten blir mer och mer utspädd. Diffusion av syra från volymen av hela elektrolyten och till elektrodplattorna upprätthåller en ungefärligen konstant intensitet av kemiska reaktioner och, som ett resultat, utmatningenspänning.
I början av urladdningsprocessen sker diffusion av syra från elektrolyten till plattorna snabbt eftersom det resulterande sulfatet ännu inte har täppt till porerna i elektrodernas aktiva material. När sulfat börjar bildas och fylla elektrodernas porer sker diffusionen långsammare.
Teoretiskt kan du fortsätta urladdningen tills all syra är slut och elektrolyten är rent vatten. Erfarenheten visar dock att urladdningar inte bör fortsätta efter att elektrolytens densitet har sjunkit till 1,150 g/cm3.
När densiteten sjunker från 1 300 till 1 150 betyder det att så mycket sulfat bildades under reaktionerna, och det fyller alla porer i de aktiva materialen på plattorna, dvs nästan all svavelsyra. Densiteten beror på koncentrationen proportionellt, och på samma sätt beror batteriladdningen på densiteten. På fig. Batteriladdningens beroende av elektrolytdensiteten visas nedan.
Att ändra elektrolytens densitet är det bästa sättet att bestämma urladdningstillståndet för ett batteri, förutsatt att det används på rätt sätt.
Urladdningsgrader för ett bilbatteri beroende på elektrolytens densitet
Dess densitet bör mätas varannan vecka och avläsningarna bör kontinuerligt registreras för framtida referens.
Ju tätare elektrolyten är, desto mer syra innehåller den och desto mer laddat batteri. Densitet i 1 300–1 280 g/cm3indikerar full laddning. Som regel särskiljs följande grader av batteriurladdning beroende på elektrolytens densitet:
- 1, 300-1, 280 - fulladdat:
- 1, 280-1, 200 - mer än halvtomt;
- 1, 200-1, 150 - mindre än halvfullt;
- 1, 150 - nästan tomt.
Ett fulladdat batteri har en spänning på 2,5 till 2,7 volt per cell innan det ansluts till bilens elnät. Så snart en last ansluts sjunker spänningen snabbt till cirka 2,1 volt inom tre eller fyra minuter. Detta beror på bildandet av ett tunt skikt av blysulfat på ytan av de negativa elektrodplattorna och mellan blyperoxidskiktet och metallen i de positiva plåtarna. Det slutliga värdet på cellspänningen efter anslutning till bilnätet är cirka 2,15-2,18 volt.
När ström börjar flyta genom batteriet under den första timmen av drift sker ett spänningsfall till 2 V, på grund av en ökning av det inre motståndet i cellerna på grund av att mer sulfat bildas, vilket fyller porerna på plattorna och avlägsnandet av syra från elektrolyten. Strax innan strömflödet börjar är elektrolytens densitet maximal och lika med 1.300 g/cm3. Till en början sker dess sällsynthet snabbt, men sedan etableras ett balanserat tillstånd mellan syrans densitet nära plattorna och i elektrolytens huvudvolym, avlägsnandet av syra från elektroderna stöds av tillförseln av nya delar av syra från huvuddelen av elektrolyten. I detta fall, medeldensiteten av elektrolytenfortsätter att stadigt minska enligt beroendet som visas i fig. högre. Efter det initiala fallet minskar spänningen långsammare, minskningshastigheten beror på belastningen på batteriet. Tidsdiagrammet för tömningsprocessen visas i fig. nedan.
Övervaka tillståndet för elektrolyten i batteriet
En hydrometer används för att bestämma densiteten. Den består av ett litet förseglat glasrör med en expansion i den nedre änden fylld med hagel eller kvicksilver och en graderad skala i den övre änden. Denna skala är märkt från 1.100 till 1.300 med olika värden däremellan, som visas i fig. Nedan. Om denna hydrometer placeras i en elektrolyt kommer den att sjunka till ett visst djup. Genom att göra det kommer den att förskjuta en viss volym elektrolyt, och när ett jämviktsläge uppnås kommer vikten av den förskjutna volymen helt enkelt att vara lika med vikten av hydrometern. Eftersom elektrolytens densitet är lika med förhållandet mellan dess vikt och volym, och hydrometerns vikt är känd, motsvarar varje nivå av dess nedsänkning i lösningen en viss densitet.
Vissa hydrometrar har ingen skala med densitetsvärden, men är märkta med inskriptionerna: "Laddad", "Halv urladdning", "Full urladdning" eller liknande.
