Koncentracija i gustina sumporne kiseline. Ovisnost gustine sumporne kiseline o koncentraciji u akumulatoru automobila

2024 Autor: Angel Austin | [email protected]. Zadnja izmjena: 2024-01-19 15:26

Razrijeđena i koncentrirana sumporna kiselina toliko su važne kemikalije da ih svijet proizvodi više od bilo koje druge supstance. Ekonomsko bogatstvo jedne zemlje može se mjeriti količinom sumporne kiseline koju proizvodi.

Proces disocijacije

Sumporna kiselina se koristi u obliku vodenih rastvora različitih koncentracija. On prolazi kroz reakciju disocijacije u dva koraka, proizvodeći H⁺ jone u rastvoru.

H₂SO₄ =H⁺ + HSO₄ ^-;

HSO₄^- =H ⁺ + SO₄ ^-2.

Sumporna kiselina je jaka, a prva faza njene disocijacije je toliko intenzivna da se skoro svi originalni molekuli raspadaju u H⁺-jone i HSO ₄-1 ^{-joni (hidrosulfat) u rastvoru. Potonji se dalje djelimično raspadaju, oslobađajući još jedan H}+^{-ion i ostavljajući sulfatni ion (SO}4-2) u rastvoru. Međutim, hidrogen sulfat, kao slaba kiselina, i dalje prevladava.u rastvoru preko H⁺ i SO⁴_-2. Njegova potpuna disocijacija nastaje tek kada se gustina rastvora sumporne kiseline približi gustini vode, odnosno uz jako razblaživanje.

Svojstva sumporne kiseline

Posebna je po tome što može djelovati kao normalna kiselina ili kao jako oksidacijsko sredstvo, ovisno o svojoj temperaturi i koncentraciji. Hladna razrijeđena otopina sumporne kiseline reagira s aktivnim metalima i formira sol (sulfat) i oslobađa plinovit vodik. Na primjer, reakcija između hladnog razrijeđenog H₂SO₄ (pod pretpostavkom njegove potpune dvostepene disocijacije) i metalnog cinka izgleda ovako:

Zn + H₂SO₄ = ZnSO₄+ H₂.

Vruća koncentrovana sumporna kiselina, sa gustinom od oko 1,8 g/cm³, može delovati kao oksidaciono sredstvo, reagujući sa materijalima koji su inače inertni na kiseline, kao što je poput metalnog bakra. U toku reakcije bakar oksidira, a masa kiseline se smanjuje, formira se rastvor bakar (II) sulfata u vodi i gasoviti sumpor dioksid (SO₂) umesto vodonika, što bi se očekivalo kada kiselina reaguje sa metalom.

Cu + 2H₂SO₄ =CuSO₄ + SO ₂ + 2H₂ O.

Kako se općenito izražava koncentracija otopina

Zapravo, koncentracija bilo koje otopine može se izraziti na različite načinenačina, ali najčešće korištena težinska koncentracija. Pokazuje broj grama otopljene supstance u datoj masi ili zapremini rastvora ili rastvarača (obično 1000 g, 1000 cm³, 100 cm^{3 i 1 dm} 3^{). Umjesto mase supstance u gramima, možete uzeti njenu količinu izraženu u molovima - tada se dobije molarna koncentracija na 1000 g ili 1 dm}3 ^rastvor.

Ako je molarna koncentracija definisana ne u odnosu na količinu rastvora, već samo na rastvarač, onda se naziva molalitet rastvora. Karakteriše ga nezavisnost od temperature.

Često je težinska koncentracija naznačena u gramima na 100 g rastvarača. Pomnožite ovu cifru sa 100%, dobijate je u težinskim procentima (procentualna koncentracija). Upravo se ova metoda najčešće koristi u primjeni na otopine sumporne kiseline.

Svaka vrijednost koncentracije otopine određena na datoj temperaturi odgovara njenoj vrlo specifičnoj gustini (na primjer, gustini otopine sumporne kiseline). Stoga se ponekad rješenje karakterizira upravo njime. Na primjer, otopina H₂SO₄, koju karakterizira procentualna koncentracija od 95,72%, ima gustinu od 1,835 g/cm 3 ^{na t=20 °S. Kako odrediti koncentraciju takve otopine, ako je data samo gustina sumporne kiseline? Tabela koja daje takvu korespondenciju sastavni je dio svakog udžbenika opće ili analitičke hemije.}

Primjer konverzije koncentracije

Pokušajmo da odmaknemo od jednog načina izražavanja koncentracijerešenje za drugo. Pretpostavimo da imamo rastvor H₂SO₄ u vodi sa koncentracijom procenta od 60%. Prvo odredimo odgovarajuću gustinu sumporne kiseline. Tabela koja sadrži procentualne koncentracije (prva kolona) i njihove odgovarajuće gustine vodenog rastvora H₂SO₄ (četvrta kolona) prikazana je ispod.

Iz njega određujemo željenu vrijednost, koja je jednaka 1, 4987 g/cm³. Izračunajmo sada molarnost ovog rastvora. Da biste to učinili, potrebno je odrediti masu H₂SO₄ u 1 litru rastvor i odgovarajući broj molova kiseline.

Zapremina koju zauzima 100 g osnovnog rastvora:

100 / 1, 4987=66,7 ml.

Budući da 66,7 mililitara 60% rastvora sadrži 60 g kiseline, 1 litar sadrži:

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

Molarna težina sumporne kiseline je 98. Dakle, broj molova sadržanih u 899,55 g njenih grama će biti:

899, 55 / 98=9, 18 mol.

Zavisnost gustine sumporne kiseline od koncentracije prikazana je na sl. ispod.

Upotreba sumporne kiseline

Primjenjuje se u raznim industrijama. U proizvodnji željeza i čelika koristi se za čišćenje površine metala prije nego što se nanese nekom drugom tvari, učestvuje u stvaranju sintetičkih boja, kao i drugih vrsta kiselina, poput klorovodične i dušične. Ona takođekoristi se u proizvodnji farmaceutskih proizvoda, đubriva i eksploziva, a takođe je važan reagens u uklanjanju nečistoća iz nafte u industriji prerade nafte.

Ova hemikalija je nevjerovatno korisna u kući i lako je dostupna kao otopina sumporne kiseline koja se koristi u olovnim baterijama (poput onih u automobilima). Takva kiselina obično ima koncentraciju od oko 30% do 35% H₂SO ₄ po težini, a ostatak je voda.

Za mnoge kućne aplikacije, 30% H₂SO₄ će biti više nego dovoljno da zadovolji vaše potrebe. Međutim, industrija također zahtijeva mnogo veću koncentraciju sumporne kiseline. Obično se tokom procesa proizvodnje prvo ispostavi da je prilično razrijeđen i kontaminiran organskim nečistoćama. Koncentrovana kiselina se dobija u dve faze: prvo se dovede do 70%, a zatim - u drugoj fazi - podigne na 96-98%, što je granica za ekonomski isplativu proizvodnju.

Gustina sumporne kiseline i njeni razredi

Iako se skoro 99% sumporne kiseline može dobiti nakratko ključanjem, naknadni gubitak SO₃ na tački ključanja smanjuje koncentraciju na 98,3%. Općenito, sorta od 98% je stabilnija u skladištenju.

Komercijalni kvaliteti kiseline razlikuju se po procentualnim koncentracijama, a za njih se biraju one vrijednosti pri kojima su temperature kristalizacije minimalne. To se radi kako bi se smanjilo taloženje kristala sumporne kiseline.talog tokom transporta i skladištenja. Glavne varijante su:

• Toranj (nitrozni) - 75%. Gustina sumporne kiseline ove klase je 1670 kg/m³. Nabavite to tzv. azotna metoda, u kojoj se plin za pečenje dobijen tokom pečenja primarnih sirovina, koji sadrži sumpor dioksid SO₂, u obloženim tornjevima (otuda i naziv sorte) tretira azotom (ovo je takođe H₂ SO₄, ali sa otopljenim azotnim oksidima). Kao rezultat, oslobađaju se kiseline i dušikovi oksidi, koji se ne troše u procesu, već se vraćaju u proizvodni ciklus.
• Kontakt - 92, 5-98, 0%. Gustina 98% sumporne kiseline ovog razreda je 1836,5 kg/m³. Takođe se dobija gasom za pečenje koji sadrži SO₂, a proces uključuje oksidaciju dioksida u anhidrid SO₃ kada dođe u kontakt (dakle naziv sorte) sa nekoliko slojeva čvrstog vanadijevog katalizatora.
• Oleum - 104,5%. Njegova gustina je 1896,8 kg/m³. Ovo je rješenje SO₃ u H₂SO₄, u kojem prva komponenta sadrži 20 %, i kiseline - tačno 104,5%.
• Visoki procenat oleuma - 114,6%. Njegova gustina je 2002 kg/m³.
• Baterija - 92-94%.

Kako radi akumulator automobila

Rad ovog jednog od najmasovnijih električnih uređaja u potpunosti je zasnovan na elektrohemijskim procesima koji se odvijaju u prisustvu vodenog rastvora sumporne kiseline.

Akumulator automobila sadrži razrijeđeni elektrolit sumporne kiseline ipozitivne i negativne elektrode u obliku nekoliko ploča. Pozitivne ploče su napravljene od crvenkasto-smeđeg materijala - olovnog dioksida (PbO₂), a negativne ploče od sivkastog "spužvastog" olova (Pb).

Budući da su elektrode napravljene od olova ili materijala koji sadrži olovo, ova vrsta baterije se često naziva olovno-kiselinskom baterijom. Njegov učinak, odnosno veličina izlaznog napona, direktno je određena gustinom struje sumporne kiseline (kg/m3 ili g/cm³) koja se puni u bateriju kao elektrolit.

Šta se dešava sa elektrolitom kada se baterija isprazni

Elektrolit olovne baterije je rastvor sumporne kiseline akumulatora u hemijski čistoj destilovanoj vodi u koncentraciji od 30% kada je potpuno napunjen. Čista kiselina ima gustinu od 1.835 g/cm³, elektrolit je oko 1.300 g/cm³. Kada se baterija isprazni, u njoj se odvijaju elektrohemijske reakcije, usled kojih se sumporna kiselina uzima iz elektrolita. Gustoća koncentracije otopine ovisi gotovo proporcionalno, pa bi se trebala smanjiti zbog smanjenja koncentracije elektrolita.

Sve dok struja pražnjenja teče kroz bateriju, kiselina u blizini njenih elektroda se aktivno koristi, a elektrolit postaje sve razrijeđeniji. Difuzija kiseline iz volumena cijelog elektrolita i do ploča elektroda održava približno konstantan intenzitet kemijskih reakcija i, kao rezultat, izlaznapon.

Na početku procesa pražnjenja, difuzija kiseline iz elektrolita u ploče se dešava brzo jer nastali sulfat još nije začepio pore u aktivnom materijalu elektroda. Kako sulfat počinje da se formira i ispunjava pore elektroda, difuzija se odvija sporije.

Teoretski, možete nastaviti s pražnjenjem dok se ne potroši sva kiselina i dok elektrolit ne bude čista voda. Međutim, iskustvo pokazuje da se pražnjenje ne bi trebalo nastaviti nakon što gustina elektrolita padne na 1.150 g/cm³.

Kada gustina padne sa 1.300 na 1.150, to znači da je tokom reakcija nastalo toliko sulfata, koji ispunjava sve pore u aktivnim materijalima na pločama, odnosno skoro svu sumpornu kiselinu. Gustoća ovisi o koncentraciji proporcionalno, a na isti način napunjenost baterije ovisi o gustoći. Na sl. Ovisnost napunjenosti baterije od gustine elektrolita je prikazana ispod.

Promena gustine elektrolita je najbolji način za određivanje stanja pražnjenja baterije, pod uslovom da se pravilno koristi.

Stepeni pražnjenja akumulatora u zavisnosti od gustine elektrolita

Njegovu gustinu treba mjeriti svake dvije sedmice, a očitavanja treba kontinuirano snimati za buduću upotrebu.

Što je gušći elektrolit, više kiseline sadrži i baterija je napunjenija. Gustina u 1.300-1.280 g/cm³označava punu napunjenost. U pravilu se razlikuju sljedeći stupnjevi pražnjenja baterije u zavisnosti od gustine elektrolita:

• 1, 300-1, 280 - potpuno napunjeno:
• 1, 280-1, 200 - više od pola prazno;
• 1, 200-1, 150 - manje od pola pune;
• 1, 150 - skoro prazno.

Potpuno napunjena baterija ima napon od 2,5 do 2,7 volti po ćeliji prije nego što se poveže na električnu mrežu automobila. Čim se poveže opterećenje, napon brzo pada na oko 2,1 volta u roku od tri ili četiri minute. To je zbog stvaranja tankog sloja olovnog sulfata na površini ploča negativne elektrode i između sloja olovnog peroksida i metala pozitivnih ploča. Konačna vrijednost napona ćelije nakon povezivanja na mrežu automobila je oko 2,15-2,18 volti.

Kada struja počne da teče kroz bateriju tokom prvog sata rada, dolazi do pada napona na 2 V, zbog povećanja unutrašnjeg otpora ćelija usled stvaranja veće količine sulfata, koji puni pore ploča i uklanjanje kiseline iz elektrolita. Neposredno prije početka strujanja, gustina elektrolita je maksimalna i jednaka je 1.300 g/cm³. U početku se njegovo razrjeđivanje događa brzo, ali onda se uspostavlja uravnoteženo stanje između gustine kiseline u blizini ploča i u glavnom volumenu elektrolita, uklanjanje kiseline pomoću elektroda je podržano opskrbom novih dijelova kiseline iz glavnog dijela elektrolita. U ovom slučaju, prosječna gustina elektrolitanastavlja da se stalno smanjuje prema zavisnosti prikazanoj na Sl. viši. Nakon početnog pada, napon opada sporije, brzina pada ovisno o opterećenju baterije. Vremenski grafikon procesa pražnjenja prikazan je na sl. ispod.

Praćenje stanja elektrolita u bateriji

Za određivanje gustine koristi se hidrometar. Sastoji se od male zatvorene staklene cijevi s proširenjem na donjem kraju ispunjenom sačmom ili živom i graduiranom skalom na gornjem kraju. Ova skala je označena od 1.100 do 1.300 sa različitim vrijednostima između, kao što je prikazano na Sl. ispod. Ako se ovaj hidrometar stavi u elektrolit, on će potonuti na određenu dubinu. Pritom će istisnuti određenu zapreminu elektrolita, a kada se postigne ravnotežni položaj, težina istisnute zapremine jednostavno će biti jednaka težini hidrometra. Pošto je gustina elektrolita jednaka omjeru njegove težine i zapremine, a težina hidrometra je poznata, svaki nivo njegovog uranjanja u otopinu odgovara određenoj gustini.

Neki hidrometri nemaju skalu sa vrijednostima gustine, ali su označeni natpisima: "Napunjeno", "Pola pražnjenja", "Potpuno pražnjenje" ili slično.