Koncentrácia a hustota kyseliny sírovej. Závislosť hustoty kyseliny sírovej od koncentrácie v autobatériách

Zriedená a koncentrovaná kyselina sírová sú také dôležité chemické produkty, ktoré sa vo svete vyrábajú viac ako akékoľvek iné látky. Ekonomické bohatstvo krajiny možno odhadnúť podľa objemu produkovanej kyseliny sírovej.

Proces disociácie

Kyselina sírová sa používa vo forme vodných roztokov rôznych koncentrácií. Predstavuje disociačnú reakciu v dvoch fázach, čím sa produkujú ióny H ⁺ v roztoku.

H2S04 = H ⁺ + HSO4-;

HSO4- = H ⁺ + SO4-2.

Kyselina sírová je silná a prvý stupeň jej disociácie je tak intenzívny, že takmer všetky materské molekuly sa v roztoku rozpadajú na ióny H ⁺ a ióny HSO4-1 (hydrogensulfát). Tieto sa čiastočne ďalej rozkladajú, uvoľňujú ďalší H ⁺ ión a opúšťajú sulfátový ión (SO4-2) v roztoku. Avšak sírovodík, ktorý je slabou kyselinou, stále prevažuje v roztoku nad H ⁺ a SO4-2. Kompletná disociácia sa vyskytuje iba vtedy, keď sa hustota roztoku kyseliny sírovej približuje k hustote vody, t.j. pri silnom riedení.

Vlastnosti kyseliny sírovej

Je to špeciálne v tom zmysle, že môže pôsobiť ako normálna kyselina alebo ako silný oxidant - v závislosti od teploty a koncentrácie. Studený roztok kyseliny sírovej reaguje s aktívnymi kovmi za vzniku soli (síranu) a vývoja vodíka. Napríklad reakcia medzi studeným zriedeným H2S04 (za predpokladu jeho úplnej dvojstupňovej disociácie) a kovovým zinkom vyzerá takto:

Zn + H2S04 = ZnS04 + H2.

Horúca kyselina sírová sa zahustí, ktorej hustota je asi 1,8 g / cm3, môže pôsobiť ako oxidačné činidlo a reagovať s materiálmi, ktoré sú zvyčajne inertné voči kyselinám, ako je napríklad kovová meď. Počas reakcie sa oxiduje oxidom medi a kyslosť sa znižuje, roztokom síranu meďnatého vo vode a oxidom siričitým (SO2) sa vytvorí namiesto vodíka, čo sa očakáva, keď kyselina reaguje s kovom.

Cu + 2H2S04 = CuS04 + S02 + 2H20.

Ako je koncentrácia roztokov

V skutočnosti môže byť koncentrácia akéhokoľvek roztoku vyjadrená rôznymi spôsobmi, ale najpoužívanejšou je hmotnostná koncentrácia. Ukazuje počet gramov rozpustenej látky v určitej hmotnosti alebo objeme roztoku alebo rozpúšťadla (typicky 1000 g, 1000 cm3, 100 cm3 a 1 dm3). Namiesto hmotnosti látky v gramoch sa môže zobrať do úvahy jej množstvo vyjadrené v moloch - potom sa získa molárna koncentrácia na 1000 g alebo 1 dm3 roztoku.

Ak je molárna koncentrácia určená nie vo vzťahu k množstvu roztoku, ale iba k rozpúšťadlu, nazýva sa molalita roztoku. Je charakterizovaná teplotnou nezávislosťou.

Často je hmotnostná koncentrácia indikovaná v gramoch na 100 g rozpúšťadla. Vynásobením tohto čísla o 100% získajte percentuálnu hmotnosť (percentuálna koncentrácia). Práve táto metóda sa najčastejšie používa pri aplikáciách na roztoky kyseliny sírovej.

Každá hodnota koncentrácie roztoku, stanovená pri danej teplote, zodpovedá veľmi špecifickej hustote (napríklad hustote roztoku kyseliny sírovej). Preto sa niekedy riešenie vyznačuje tým. Napríklad roztok H2S04, charakterizovaný percentuálnou koncentráciou 95,72%, má hustotu 1,835 g / cm3 pri t = 20 ° C. Ako určiť koncentráciu takéhoto roztoku, ak sa uvádza iba hustota kyseliny sírovej? Tabuľka poskytujúca takúto korešpondenciu je neoddeliteľnou súčasťou každej učebnice o všeobecnej alebo analytickej chémii.

Príklad prepočítania konverzií

Pokúsme sa prejsť z jedného spôsobu vyjadrenia koncentrácie riešenia k inému. Predpokladajme, že máme roztok H2SO4 Vo vode s koncentráciou v percentách 60%. Najprv určite vhodnú hustotu kyseliny sírovej. Tabuľka obsahujúca percentá (prvý stĺpec) a zodpovedajúce hustoty vodného roztoku H2S04 (štvrtý stĺpec) sú uvedené nižšie.

Na ňom určujeme požadovanú hodnotu, ktorá sa rovná 1,4987 g / cm3. Teraz vypočítame molaritu tohto riešenia. Preto je potrebné určiť hmotnosť H ₂ SO ₄ V 1 litri roztoku a zodpovedajúcom počte mólov kyseliny.

Objem, ktorý zaberá 100 g zásobného roztoku:

100 / 1,4987 = 66,7 ml.

Keďže v 66,7 mililitroch 60% roztoku obsahuje 60 gramov kyseliny, v 1 litri bude obsahovať:

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

Molekulová hmotnosť kyseliny sírovej je 98. Preto počet mólov obsiahnutý v 899,55 gramoch gramov bude:

899,55 / 98 = 9,18 mol.

Závislosť hustoty kyseliny sírovej na koncentrácii je znázornená na obr. nižšie.

Použitie kyseliny sírovej

Používa sa v rôznych odvetviach. Pri výrobe železa a ocele sa používa na čistenie kovového povrchu pred tým, ako je pokrytá inou látkou, podieľa sa na tvorbe syntetických farbív, ako aj iných typoch kyselín, ako je kyselina chlorovodíková a dusičnan. Používa sa tiež pri výrobe liečiv, hnojív a výbušnín a je tiež dôležitým činidlom pri odstraňovaní nečistôt z ropy v priemysle rafinácie ropy.

Táto chemikália je neuveriteľne užitočná v každodennom živote a je ľahko dostupná ako roztok kyseliny sírovej používanej v olovených kyselinových batériách (napríklad tie, ktoré sa nachádzajú vo vozidlách). Takáto kyselina má všeobecne koncentráciu asi 30% až 35% hmotnostných H2S04, zvyšok je voda.

Pre mnohé aplikácie v domácnosti bude 30% H ₂ SO ₄ viac ako dostatočné na uspokojenie ich potrieb. V priemysle sa však vyžaduje oveľa vyššia koncentrácia kyseliny sírovej. Vo výrobnom procese sa zvyčajne dostatočne zriedi a kontaminuje organickými inklúziami. Koncentrovaná kyselina sa získava v dvoch fázach: najskôr sa zvýši na 70% a potom sa v druhej etape zvýši na 96-98%, čo je limitujúci ukazovateľ pre ekonomicky rentabilnú výrobu.

Hustota kyseliny sírovej a jej odrôd

Hoci takmer 99% kyseliny sírovej je možné získať krátko po vare, ale následná strata SO3 pri teplote varu vedie k zníženiu koncentrácie na 98,3%. Vo všeobecnosti je odroda s ukazovateľom 98% stabilnejšia pri skladovaní.

Komoditné stupne kyseliny sa líšia v percentuálnej koncentrácii a pre ne sa vyberajú vybrané hodnoty, pre ktoré sú kryštalizačné teploty minimálne. Toto sa vykonáva na zníženie zrážania kryštálov kyseliny sírovej v sedimente počas prepravy a skladovania. Hlavné odrody sú:

• Veža (nitróza) - 75%. Hustota kyseliny sírovej v tejto triede je 1670 kg / m3. Získajte takzvané. Nitrosová metóda, pri ktorej je horiaci plyn obsahujúci oxid siričitý SO2, získaný pri spaľovaní primárnej suroviny, spracovaný s nitrozami (to je tiež H2S04, ale s ním rozpustenými oxidmi dusíka) vo vežiach s lemovaním (teda odroda). V dôsledku toho sa uvoľňujú kyslé a kysličníky dusíka, ktoré sa v procese nespotrebovávajú, ale vrátia sa do výrobného cyklu.
• Kontakt - 92,5-98,0%. Hustota kyseliny sírovej 98% tejto odrody je 1836,5 kg / m3. Vyrába sa tiež z kalcinovaného plynu obsahujúceho S02, pričom tento spôsob zahŕňa oxidáciu oxidu na anhydrid S03 pri kontakte (teda názov odrody) s niekoľkými vrstvami pevného vanádového katalyzátora.
• Oleum - 104,5%. Jeho hustota sa rovná 1896,8 kg / m ³ . Tento roztok SO3 v H2S04, v ktorom prvá zložka obsahuje 20% a kyseliny - je to 104,5%.
• Vysoká úroková hladina oleja - 114,6% . Jeho hustota je 2002 kg / m ³ .
• Nabíjateľná - 92-94%.

Ako je to automobilová batéria?

Práca tohto jedného z najhmotnejších elektrotechnických zariadení je úplne založená na elektrochemických procesoch, ktoré sa vyskytujú v prítomnosti vodného roztoku kyseliny sírovej.

Batéria obsahuje zriedený elektrolyt kyseliny sírovej, ako aj pozitívne a negatívne elektródy vo forme niekoľkých dosiek. Pozitívne platne sú vyrobené z červeno-hnedého materiálu - oxidu olovnatého (PbO ₂ ) a negatívne sú vyrobené zo šedivého "hubového" olova (Pb).

Vzhľadom na to, že elektródy sú vyrobené z olova alebo materiálu obsahujúceho olovo, tento typ batérie sa často označuje ako olovnatá batéria. Jeho účinnosť, to znamená veľkosť výstupného napätia, je priamo určená aktuálnou hustotou kyseliny sírovej (kg / m3 alebo g / cm3), ktorá je nabitá batériou ako elektrolyt.

Čo sa stane s elektrolytom pri vybití batérie?

Elektrolyt batérie olova je riešenie skladovania kyseliny sírovej v chemicky čistej destilovanej vode s percentuálnou koncentráciou 30% pri plnom nabití. Čistá kyselina má hustotu 1,835 g / cm3, elektrolyt je asi 1,300 g / cm3. Keď je batéria vybitá, v ňom sa vyskytujú elektrochemické reakcie, v dôsledku ktorých sa z elektrolytu odoberie kyselina sírová. Hustota koncentrácie roztoku závisí takmer proporcionálne, preto by mala klesnúť v dôsledku poklesu koncentrácie elektrolytu.

Ak výbojový prúd preteká batériou, aktívne sa používa kyselina blízko jej elektród a elektrolyt sa zriedi. Difúzia kyseliny z objemu celého elektrolytu a elektródových platní udržuje približne konštantnú intenzitu chemických reakcií a v dôsledku toho aj výstupné napätie.

Na začiatku procesu vypúšťania dochádza k rýchlej difúzii kyslíka z elektrolytu na dosky, pretože takto vytvorený síran ešte neumožňuje blokovať póry v aktívnom materiáli elektród. Keď síran začína tvoriť a naplňovať póry elektród, difúzia sa vyskytuje pomalšie.

Teoreticky môžete pokračovať v vypúšťaní až do použitia všetkej kyseliny a elektrolyt bude pozostávať z čistej vody. Skúsenosti však ukazujú, že vypúšťanie by nemalo pokračovať, ak hustota elektrolytu klesla na 1 150 g / cm3.

Keď hustota klesne z 1 300 na 1 150, znamená to, že sa počas reakcií vytvorilo toľko síranov a naplnené póry v aktívnych materiáloch naplnia, to znamená, že takmer celá kyselina sírová už bola odstránená z roztoku. Hustota závisí od koncentrácie a náboj závisí od hustoty. Na obr. Závislosť nabíjania akumulátora od hustoty elektrolytu je uvedená nižšie.

Zmena hustoty elektrolytu je najlepší spôsob, ako určiť stav vybitia batérie za predpokladu, že sa používa správne.

Stupne vybíjania autobatérie v závislosti od hustoty elektrolytu

Jeho hustota sa má merať každé dva týždne a záznam o odčítaní by sa mal uchovávať pre budúce použitie.

Čím je elektrolyt hustejší, tým viac obsahuje kyselinu a čím viac sa batéria nabíja. Hustota 1,300 - 1 280 g / cm3 udáva celkový náboj. Spravidla sa nasledujúce stupne vybíjania akumulátora líšia v závislosti od hustoty elektrolytu:

• 1,300 - 1,280 - plne nabité:
• 1,280-1,200 - viac ako polovica vypustených;
• 1,200-1,150 - menej ako polovica nabitá;
• 1,150 - prakticky vybité.

Pri plne nabitom akumulátore pred pripojením automobilovej siete je napätie každej bunky 2,5 až 2,7 V. Keď je záťaž pripojená, napätie rýchlo klesne na približne 2,1 V počas troch alebo štyroch minút. Je to spôsobené tvorbou tenkej vrstvy síranu olovnatého na povrchu záporných elektródových platní a medzi vrstvou peroxidu olova a kovom pozitívnych dosiek. Konečná hodnota napätia článku po pripojení k automobilovej sieti je okolo 2,15-2,18 voltov.

Keď prúd začne prúdiť cez batériu počas prvej hodiny prevádzky, dôjde k poklesu napätia až na 2 V v dôsledku zvýšenia vnútorného odporu buniek v dôsledku tvorby väčšieho množstva síranu, ktoré vyplňuje póry platní a odstraňuje kyselinu z elektrolytu. Krátko pred tokom prúdu je hustota elektrolytu maximálna a rovná sa 1300 g / cm3. Spočiatku dochádza k jej zriedeniu, ale potom sa dosiahne vyvážený stav medzi hustotou kyseliny v blízkosti dosiek a hlavným objemom elektrolytu, kyslá extrakcia elektródami je podporovaná príchodom nových kyselinových častí z hlavnej časti elektrolytu. Súčasne stále rastie priemerná hustota elektrolytu podľa závislosti, ktorá je znázornená na obr. vyššie. Po úvodnom poklesu sa napätie znižuje pomalšie, rýchlosť jeho poklesu závisí od zaťaženia batérie. Časový graf procesu vypúšťania je znázornený na obr. nižšie.

Sledovanie elektrolytu v batérii

Na stanovenie hustoty sa použije hustomer. Skladá sa z malej utesnenej sklenenej trubice s predĺžením na spodnom konci, naplneného výstrelom alebo ortuťou a stupňovitou stupnicou na hornom konci. Táto stupnica je označená od 1 100 do 1 300 s rôznymi medznými hodnotami, ako je znázornené na obr. nižšie. Ak je tento hustomer umiestnený v elektrolyte, padne do určitej hĺbky. V takomto prípade vytiahne určitý objem elektrolytu a keď sa dosiahne rovnovážna pozícia, hmotnosť vytlačeného objemu sa jednoducho rovná hmotnosti hustomeru. Pretože hustota elektrolytu sa rovná pomeru jeho hmotnosti k objemu a hmotnosť hustomeru je známa, každá úroveň jeho ponorenia do roztoku zodpovedá určitej hustote. Niektoré meracie prístroje nemajú stupnicu s hodnotami hustoty, ale sú označené ako "nabité", "polovičný výboj", "úplný výboj" alebo podobné.