Concentrația și densitatea acidului sulfuric. Dependența densității acidului sulfuric de concentrația în bateria mașinii

Diluat și concentrat acid sulfuric

Procesul de disociere

Acidul sulfuric este utilizat sub formă de soluții apoase de diferite concentrații. Ea suferă o reacție de disociere în două etape, producând H⁺-ioni în soluție.

H₂SO₄ = H⁺ + HSO₄^- ;

HSO₄^- = H ⁺ + SO₄^-2 .

Acidul sulfuric este puternic, iar prima etapă a disocierii sale este atât de intensă încât aproape toate moleculele părinte se descompun în H⁺-ioni și HSO₄ ^-1 -ioni (sulfat acid) în soluție. Acestea din urmă se descompun parțial, izolarea celeilalte H⁺-ion și lăsând ionul sulfat (SO₄^-2 ) în soluție. Cu toate acestea, acidul sulfat, fiind un acid slab, încă predomină în soluție peste H⁺ și SO₄^-2 . Disocierea sa completă are loc numai când se apropie densitatea soluției de acid sulfuric densitatea apei, adică sub diluție puternică.

Proprietățile acidului sulfuric

Este special în sensul că poate acționa ca un acid normal sau ca oxidant puternic - în funcție de temperatura și concentrația acestuia. O soluție diluată la rece a acidului sulfuric reacționează cu metalele active pentru a forma o sare (sulfat) și eliberează un gaz de hidrogen. De exemplu, reacția dintre o soluție diluată la rece H₂SO₄ (presupunând disocierea completă în două etape) și zincul metalic arată astfel:

Zn + H₂SO₄ =ZnSO₄ + H₂.

Se concentrează acidul sulfuric fierbinte, densitatea acestuia fiind de aproximativ 1,8 g / cm3³, poate acționa ca un oxidant, reacționând cu materiale care sunt de obicei inerte la acizi, cum ar fi, de exemplu, cuprul metalic. În timpul reacției, cuprul este oxidat și masa acidă scade, o soluție sulfat de cupru (II) în apă și dioxid de sulf gazos (SO₂) în loc de hidrogen, care ar fi de așteptat când acidul interacționează cu metalul.

Cu + 2H₂SO₄ = CuSO₄ + SO₂ + 2H₂ O.

Cum este concentrația soluțiilor în general

De fapt, concentrația oricărei soluții poate fi exprimată în diferite moduri, dar cea mai utilizată este concentrația în greutate. Se prezintă cantitatea de grame de substanță dizolvată într-o anumită masă sau volum dintr-o soluție sau solvent (de obicei 1000 g, 1000 cm³, 100 cm³ și 1 dm³). În locul masei de materie în grame, puteți să luați cantitatea exprimată în moli - apoi o concentrație molară de 1000 g sau 1 dm³ soluție.

Dacă concentrația molară este determinată în raport nu cu cantitatea de soluție, ci numai cu solventul, se numește molalitatea soluției. Se caracterizează prin independență la temperatură.

Adesea, concentrația în greutate este indicată în grame pe 100 g de solvent. Înmulțind această cifră cu 100%, se obține în procente de greutate (concentrație procentuală). Această metodă se utilizează cel mai adesea în aplicarea soluțiilor de acid sulfuric.

Fiecare valoare a concentrației soluției, determinată la o temperatură dată, corespunde unei densități foarte specifice (de exemplu, densitatea unei soluții de acid sulfuric). De aceea, uneori soluția se caracterizează prin aceasta. De exemplu, o soluție de H₂SO₄, caracterizată printr-o concentrație procentuală de 95,72%, are o densitate de 1,835 g / cm³ la t = 20 ° C. Cum se determină concentrația unei astfel de soluții, dacă se dă numai densitatea acidului sulfuric? Un tabel care dă o astfel de corespondență este o parte integrantă a oricărui manual al chimiei generale sau analitice.

Exemplul de recalculare a conversiilor

Să încercăm să ne mișcăm dintr-o modalitate de a exprima concentrarea soluției la alta. Să presupunem că avem o soluție H₂SO₄în apă cu o concentrație procentuală de 60%. Mai întâi, determinați densitatea corespunzătoare a acidului sulfuric. O masă care conține procentele (prima coloană) și densitățile corespunzătoare ale soluției apoase de H₂SO₄ (a patra coloană) este prezentată mai jos.

Pe acesta determinăm valoarea dorită, care este egală cu 1,4987 g / cm³. Să calculam acum molaritatea acestei soluții. Pentru aceasta este necesar să se determine masa H₂SO₄în 1 litru de soluție și numărul corespunzător de moli de acid.

Volumul care ocupă 100 g din soluția stoc:

100 / 1,4987 = 66,7 ml.

Deoarece în 66,7 mililitri dintr-o soluție de 60% conține 60 g de acid, în 1 litru va conține:

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

Greutatea moleculară a acidului sulfuric este de 98. Prin urmare, numărul de moli conținute în 899,55 grame de grame va fi:

899,55 / 98 = 9,18 mol.

Dependența densității acidului sulfuric față de concentrație este prezentată în Fig. de mai jos.

Utilizarea acidului sulfuric

Este utilizat în diverse industrii. În producția de fier și oțel este folosit pentru curățarea suprafeței metalice înainte de a fi acoperită cu o altă substanță implicată în crearea de coloranți sintetici precum și alte tipuri de acizi, cum ar fi acidul clorhidric și azotic. Este, de asemenea, utilizat la fabricarea produselor farmaceutice, îngrășăminte și explozivi, și încă mai este un reactiv important în îndepărtarea impurităților din țiței în industria de rafinare.

Acest produs chimic este extrem de util în viața de zi cu zi, și este ușor disponibil sub formă de soluție de acid sulfuric utilizat în baterii plumb-acid (de exemplu, cele care sunt în automobile). Un astfel de acid, de regulă, are o concentrație de aproximativ 30% până la 35% H₂SO ₄ din greutate, echilibrul este apa.

Pentru multe aplicații de uz casnic, 30% H₂SO₄ va fi mai mult decât suficient pentru a-și satisface nevoile. Cu toate acestea, în industrie este necesară o concentrație mult mai mare de acid sulfuric. De obicei, în procesul de producție, acesta este obținut mai întâi suficient de diluat și contaminat cu incluziuni organice. acid concentrat se obține în două etape: în primul rând, a fost ajustat la 70%, și apoi - într-o a doua etapă - se ridică la 96-98%, care este parametrul de limitare pentru producție viabilă economic.

Densitatea acidului sulfuric și a soiurilor sale

Deși aproape 99% acid sulfuric poate fi obținut pe scurt la fierbere, dar pierderea ulterioară a SO₃ la punctul de fierbere duce la o scădere a concentrației la 98,3%. În general, soiul cu un indicator de 98% este mai stabil în depozitare.

Mărimile acidului de marfă diferă în concentrația sa procentuală și pentru ele sunt alese valorile pentru care temperaturile de cristalizare sunt minime. Acest lucru se face pentru a reduce precipitarea cristalelor de acid sulfuric în sedimente în timpul transportului și depozitării. Principalele soiuri sunt:

• Turnul (nitroza) - 75%. Densitatea acidului sulfuric din această clasă este de 1670 kg / m³. Ia-l așa-zis. nitroses, în care gazul calcinat conține dioxid de sulf SO₂, în turnurile căptușite (de aici și denumirea soiului) este tratată cu nitroze (aceasta este și H₂SO₄, dar cu oxizi de azot dizolvați în el). Ca rezultat, se eliberează oxizi de azot și de azot, care nu se consumă în proces, ci se întorc la ciclul de producție.
• Contact - 92,5-98,0%. Densitatea acidului sulfuric de 98% din acest soi este de 1836,5 kg / m³. Se obține, de asemenea, dintr-un gaz de calcinare care conține SO₂, procedeul cuprinzând oxidarea dioxidului la o anhidridă S02₃ cu contactul său (de aici numele soiului) cu mai multe straturi de catalizator solid de vanadiu.
• Oleum - 104,5%. Densitatea sa este egală cu 1896,8 kg / m³. Această soluție SO₃ în H₂SO₄, în care prima componentă conține 20%, iar acizii - este de 104,5%.
• Ole de mare interes - 114,6%. Densitatea sa este de 2002 kg / m³.
• Acumulator - 92-94%.

Cum este bateria mașinii

Lucrarea acestui unul dintre cele mai masive dispozitive electrotehnice este complet bazată pe procese electrochimice care apar în prezența unei soluții apoase de acid sulfuric.

Bateria auto conține electrolit de acid sulfuric diluat, precum și electrozi pozitivi și negativi sub forma mai multor plăci. Plăcile pozitive sunt realizate din material roșu-brun - dioxid de plumb (PbO₂), și negativ - de la plumb "spongios" (Pb).

Deoarece electrozii sunt fabricați din plumb sau materiale care conțin plumb, acest tip de baterie este adesea numit plumb-acid baterie. Eficiența sa, adică valoarea tensiunii de ieșire, este determinată direct de densitatea curentului de acid sulfuric (kg / m3 sau g / cm2³), a umplut bateria ca electrolit.

Ce se întâmplă cu electrolitul atunci când bateria este descărcată?

Electrolitul bateriei plumb-acid este o soluție de acid sulfuric de stocare în apă distilată chimic pură cu o concentrație procentuală de 30% la încărcare completă. Acidul pur are o densitate de 1,835 g / cm³, electrolit - aproximativ 1300 g / cm³. Atunci când bateria este descărcată, apar reacții electrochimice în care rezultă acidul sulfuric din electrolit. Densitatea concentrației soluției depinde aproape proporțional, deci ar trebui să scadă datorită scăderii concentrației de electroliți.

Atâta timp cât curentul de descărcare se scurge prin baterie, acidul din apropierea electrozilor este utilizat în mod activ, iar electrolitul devine mai diluat. Difuzia acidului din volumul întregului electrolit și al plăcilor de electrod păstrează o intensitate aproximativ constantă a reacțiilor chimice și, ca o consecință, tensiunea de ieșire.

La începutul procesului de descărcare, difuzia acidului din electrolit în plăci are loc rapid, deoarece sulfatul format astfel nu blochează încă porii din materialul activ al electrozilor. Când sulfatul începe să formeze și umple porii electrozilor, difuzia are loc mai lent.

Teoretic, puteți continua descărcarea până când se utilizează tot acidul, iar electrolitul va consta din apă pură. Cu toate acestea, experiența arată că evacuările nu trebuie să continue după ce densitatea electrolitului a scăzut la 1150 g / cm³.

Atunci când densitatea scade de la 1.300 la 1.150, ceea ce înseamnă că o mare parte sulfat sa format în timpul reacției și se umple toți porii din materialul activ pe plăci, adică. E. Din soluția selectată deja aproape toate de acid sulfuric. Densitatea depinde de concentrație, iar sarcina depinde de densitate. În Fig. Dependența încărcării acumulatorului de densitatea electrolitului este prezentată mai jos.

Schimbarea densității electrolitului este cel mai bun mod de a determina starea descărcării bateriei, cu condiția ca aceasta să fie folosită în mod corespunzător.

Gradul de descărcare a unei baterii auto în funcție de densitatea electrolitului

Densitatea acestuia trebuie măsurată la fiecare două săptămâni și trebuie păstrată o înregistrare a citirilor pentru utilizare ulterioară.

Cu cât este mai densă electrolitul, cu atât mai multă acidă conține și cu cât bateria este încărcată. Densitatea de 1300-1,280 g / cm³ indică încărcarea completă. De regulă, următoarele grade de descărcare a bateriei diferă în funcție de densitatea electrolitului:

• 1.300-1.280 - complet încărcat:
• 1.280-1.200 - mai mult de jumătate descărcate;
• 1,200-1,150 - mai puțin de jumătate perceput;
• 1,150 - practic descărcat.

Pentru o baterie complet încărcată, înainte de a conecta rețeaua de mașină, tensiunea fiecărei celule este de 2,5-2,7 V. Odată ce sarcina este conectată, tensiunea scade rapid la aproximativ 2,1 V timp de trei sau patru minute. Aceasta se datorează formării unui strat subțire de sulfat de plumb pe suprafața plăcilor electrod negative și între stratul de peroxid de plumb și metalul plăcilor pozitive. Valoarea finală a tensiunii celulare după conectarea la rețeaua de autoturisme este de aproximativ 2,15-2,18 volți.

Când curentul începe să curgă prin baterie în timpul primei ore de funcționare, există o cădere de tensiune la 2 V datorita rezistentei crescute de celule interne datorită formării de cantități mai mari de sulfat care umple porii plăcilor și selectarea acidului electrolit. Cu puțin timp înainte de începerea scurgerilor densitatea curentului Electrolitul este maxim și este egal cu 1300 g / cm³. Inițial, subpresiune se produce rapid, dar apoi setați starea echilibrată între densitatea acidului în apropierea plăcilor și electrozii de selecție volum substanțial de electrolit care intră acidul nou acidul bucăți din cea mai mare parte a electrolitului sprijinit. În același timp, densitatea medie a electrolitului continuă să scadă constant în funcție de dependența prezentată în Fig. de mai sus. După scăderea inițială, tensiunea scade mai lent, rata scăderii acesteia depinde de încărcarea bateriei. Graficul de timp al procesului de descărcare este prezentat în Fig. de mai jos.

Monitorizarea electrolitului din baterie

Pentru determinarea densității se folosește un densometru. Se compune dintr-un tub mic de sticlă sigilat, cu o prelungire la capătul inferior, umplut cu împușcături sau mercur, și o scală gradată la capătul de sus. Această scală este marcată de la 1100 la 1300 cu valori intermediare diferite, așa cum se arată în Fig. de mai jos. Dacă acest hidrometru este plasat în electrolit, acesta va cădea la o anumită adâncime. În acest caz, va deplasa un anumit volum de electrolit, iar când se atinge poziția de echilibru, greutatea volumului deplasat va fi pur și simplu egală cu greutatea hidrometrului. Deoarece densitatea electrolitului este egală cu raportul dintre greutatea sa și volumul și greutatea hidrometrului este cunoscută, fiecare nivel de imersie în soluție corespunde unei anumite densități. Unele areometre nu au o scară cu valori de densitate, dar sunt etichetate "Încărcate", "Înclinare la jumătate", "Descărcări complete" sau similare.