Koncentrace a hustota kyseliny sírové. Závislost hustoty kyseliny sírové na koncentraci v autobaterii

Zředěný a koncentrovaný kyselina sírová

Proces disociace

Kyselina sírová se používá ve formě vodných roztoků různých koncentrací. Probíhá disociační reakce ve dvou fázích, což produkuje H⁺-iontů v roztoku.

H₂SO₄ = H⁺ + HSO₄^- ;

HSO₄^- = H ⁺ + SO₄^-2 .

Kyselina sírová je silná a první stupeň její disociace je tak intenzivní, že téměř všechny základní molekuly se rozpadají na H⁺-ionty a HSO₄ ^-1 -iontů (síranu vápenatého) v roztoku. Ta druhá částečně dále rozpadá, izoluje druhou H⁺-ionu a zanechání síranového iontu (SO₄^-2 ) v roztoku. Sírovodík, který je slabou kyselinou, však stále převažuje v roztoku nad H⁺ a SO₄^-2 . Jeho úplná disociace nastává teprve tehdy, když se blíží hustota roztoku kyseliny sírové hustota vody, tj. při silném zředění.

Vlastnosti kyseliny sírové

Je to zvláštní v tom smyslu, že může působit jako normální kyselina nebo jako silný oxidant - v závislosti na teplotě a koncentraci. Studený zředěný roztok kyseliny sírové reaguje s aktivním kovem za vzniku soli (síranu) a uvolňuje plynný vodík. Například reakce mezi chladným zředěným H₂SO₄ (za předpokladu úplné dvoustupňové disociace) a kovový zinek vypadá takto:

Zn + H₂SO₄ =ZnSO₄ + H₂.

Zahřívá se horká kyselina sírová, jejíž hustota je asi 1,8 g / cm³, může působit jako oxidační činidlo, reagující s materiály, které jsou obvykle inertní vůči kyselinám, jako je například kovová měď. Během reakce se měď oxiduje a klesá kyselina, což je roztok síran měďnatý (II) ve vodě a plynném oxidu siřičitém (SO₂) namísto vodíku, což by se dalo očekávat, když kyselina reaguje s kovem.

Cu + 2H₂SO₄ = CuSO₄ + SO₂ + 2H₂ O.

Jak koncentrace roztoků obecně

Ve skutečnosti může být koncentrace jakéhokoli roztoku vyjádřena různými způsoby, ale nejčastěji se používá hmotnostní koncentrace. Ukazuje množství gramů rozpuštěné látky v určité hmotnosti nebo objemu roztoku nebo rozpouštědla (obvykle 1000 g, 1000 cm³, 100 cm³ a 1 dm³). Namísto hmoty hmoty v gramech můžete uvést její množství, vyjádřené v molách, - pak molární koncentraci 1000 g nebo 1 dm³ řešení.

Pokud je molární koncentrace určena v poměru ne k množství roztoku, ale pouze k rozpouštědlu, nazývá se molalita roztoku. Je charakterizována teplotní nezávislostí.

Často je hmotnostní koncentrace uvedena v gramech na 100 g rozpouštědla. Vynásobením tohoto čísla o 100% se získává v procentech hmotnostních (procentní koncentrace). Je to metoda, která se nejčastěji používá při aplikaci roztoků kyseliny sírové.

Každá hodnota koncentrace roztoku, stanovená při dané teplotě, odpovídá velmi specifické hustotě (například hustota roztoku kyseliny sírové). Proto je někdy toto řešení charakterizováno. Například roztok H₂SO₄, vyznačující se procentuální koncentrací 95,72%, má hustotu 1,835 g / cm³ při t = 20 ° C. Jak stanovit koncentraci takového roztoku, je-li dána pouze hustota kyseliny sírové? Tabulka poskytující takovou korespondenci je nedílnou součástí každé učebnice o obecné nebo analytické chemii.

Příklad přepočítání konverze

Pokusíme se přejít z jednoho způsobu vyjadřování koncentrace řešení k jinému. Předpokládejme, že máme řešení H₂SO₄ve vodě s koncentrací v procentech 60%. Nejprve určete vhodnou hustotu kyseliny sírové. Tabulka obsahující procenta (první sloupec) a odpovídající hustoty vodného roztoku H₂SO₄ (čtvrtý sloupec).

Na tom určíme požadovanou hodnotu, která se rovná 1,4987 g / cm³. Nyní vypočteme molaritu tohoto řešení. K tomu je nutné určit hmotnost H₂SO₄v 1 litru roztoku a odpovídajícím počtem molů kyseliny.

Objem, který zabírá 100 g zásobního roztoku:

100 / 1,4987 = 66,7 ml.

Vzhledem k tomu, že v 66,7 mililitrech 60% roztoku obsahuje 60 g kyseliny, v 1 litru bude obsahovat:

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

Molekulová hmotnost kyseliny sírové je 98. Proto počet molů obsažených v 899,55 gramů gramů bude:

899,55 / 98 = 9,18 mol.

Závislost hustoty kyseliny sírové na koncentraci je znázorněna na obr. níže.

Použití kyseliny sírové

Používá se v různých odvětvích. Při výrobě železa a oceli se používá k čištění povrchu kovu před tím, než je pokryta další látky podílející se na vytváření syntetických barviv, jakož i jiných typů kyselin, jako je kyselina chlorovodíková a kyselina dusičná. To je také používá při výrobě farmaceutických výrobků, hnojiv a výbušniny, a ještě je důležitý činidlo na odstraňování nečistot ze surové ropy v rafinérském průmyslu.

Tato chemická je velmi užitečné v každodenním životě, a je snadno k dispozici ve formě roztoku kyseliny sírové použité baterie olovo-kyselin (např. Ty, které jsou v automobilech). Taková kyselina má zpravidla koncentraci asi 30% až 35% H₂SO ₄ váhy jsou vodu.

Pro mnoho použití v domácnosti je 30% H₂SO₄ budou více než dostačující pro uspokojení svých potřeb. V průmyslu je však zapotřebí mnohem vyšší koncentrace kyseliny sírové. Obvykle se ve výrobním procesu nejprve získá dostatečně zředěné a kontaminované organickými inkluzemi. Koncentrovaná kyselina se získá ve dvou stupních: nejprve se nastaví na 70%, a poté - v druhém kroku - se zvýší na 96-98%, což je limitující parametr pro ekonomicky životaschopné výroby.

Hustota kyseliny sírové a jejích odrůd

Přestože lze získat téměř 99% kyselinu sírovou krátce při varu, ale následná ztráta SO₃ při teplotě varu vede k poklesu koncentrace na 98,3%. Odrůda s ukazatelem 98% je obecně skladovatelnější.

Komoditní stupně kyseliny se liší v procentuální koncentraci a pro ty jsou zvoleny ty hodnoty, pro které jsou krystalizační teploty minimální. To se provádí za účelem snížení srážení krystalů kyseliny sírové v sedimentech během přepravy a skladování. Hlavní odrůdy jsou:

• Věž (nitróza) - 75%. Hustota kyseliny sírové v této třídě je 1670 kg / m³. Zavolejte mu tak. nitroses metoda, ve kterém kalcinovaný plyn, obsahující oxid siřičitý SO₂, ve věžích s okrajem (odtud jméno odrůdy) je ošetřeno nitrosy (to je také H₂SO₄, ale s oxidy dusíku rozpuštěnými v něm). V důsledku toho se uvolňují oxidy kyslíku a dusíku, které se v procesu nekonzumují, ale vracejí se do výrobního cyklu.
• Kontakt - 92,5-98,0%. Hustota kyseliny sírové 98% této odrůdy činí 1836,5 kg / m³. Získává se také z kalcinačního plynu obsahujícího SO₂, přičemž způsob zahrnuje oxidaci oxidu na anhydrid S02₃ s jeho kontaktem (odtud název odrůdy) s několika vrstvami pevného vanadového katalyzátoru.
• Oleum - 104,5%. Jeho hustota se rovná 1896,8 kg / m³. Toto řešení SO₃ v H₂SO₄, ve kterém první složka obsahuje 20% a kyseliny - to je 104,5%.
• Vysoký zájem o oleum - 114,6%. Jeho hustota je 2002 kg / m³.
• Baterie - 92-94%.

Jak je baterie baterie?

Práce tohoto nejhmotnějšího elektrotechnického zařízení jsou zcela založeny na elektrochemických procesech, které se vyskytují v přítomnosti vodného roztoku kyseliny sírové.

Baterie automobilu obsahuje zředěný elektrolyt kyseliny sírové a pozitivní a záporné elektrody ve formě několika desek. Pozitivní desky jsou vyrobeny z červenohnědého materiálu - oxid olovnatý (PbO₂) a negativní - ze šedého "houbovitého" olova (Pb).

Vzhledem k tomu, že elektrody jsou vyrobeny z olova nebo materiálu obsahujícího olovo, je tento typ baterie často nazýván olověný akumulátor. Jeho účinnost, tj. Hodnota výstupního napětí, je přímo určena jakou je proudová hustota kyseliny sírové (kg / m3 nebo g / cm2³), naplnil baterii jako elektrolyt.

Co se stane s elektrolytem při vybití baterie?

Akumulátoru elektrolyt olovo-kyselina je roztok kyseliny sírové v chemicky čisté destilované vodě s koncentrací zájmu 30% při plném nabití. Čistá kyselina má hustotu 1,835 g / cm³, elektrolyt - asi 1300 g / cm³. Když je baterie vybita, v ní se vyskytují elektrochemické reakce, v důsledku čehož je z elektrolytu odebrána kyselina sírová. Hustota koncentrace roztoku závisí téměř úměrně, takže by se měla snížit kvůli poklesu koncentrace elektrolytu.

Pokud výbojový proud protéká baterií, aktivně se používá kyselina blíže k elektrodám a elektrolyt se zředí. Difúze kyseliny z objemu celého elektrolytu a elektrodových desek udržuje přibližně konstantní intenzitu chemických reakcí a v důsledku toho i výstupní napětí.

Na začátku vyprazdňovacího procesu difúze kyseliny elektrolytu v desce dochází rychle, protože výsledný sulfát s dosud dosažených pórů aktivního materiálu elektrod. Když síran začne tvořit a naplňovat póry elektrod, difúze dochází pomaleji.

Teoreticky můžete pokračovat ve vypouštění, dokud nebude použita veškerá kyselina, a elektrolyt bude sestávat z čisté vody. Zkušenost však ukazuje, že výboje by neměly pokračovat po poklesu hustoty elektrolytu na 1150 g / cm³.

Když hustota klesá od 1300 do 1150, což znamená, že e-sulfát se vytvoří v průběhu reakce, a vyplňuje všechny póry v aktivním materiálu na desky, tj. E. z roztoku již vybrána téměř veškeré kyseliny sírové. Hustota závisí na koncentraci a náboj závisí na hustotě. Na Obr. Závislost náboje baterie na hustotě elektrolytu je uvedena níže.

Změna hustoty elektrolytu je nejlepší způsob, jak zjistit stav vybití akumulátoru za předpokladu, že je používán správně.

Stupně vybíjení automobilové baterie v závislosti na hustotě elektrolytu

Jeho hustota by měla být měřena každé dva týdny a záznam o odečtech by měl být uchováván pro budoucí použití.

Čím je elektrolyt hustší, tím víc kyseliny obsahuje a čím více je baterie nabitá. Hustota 1 300 až 1 280 g / cm³ znamená plné nabití. Zpravidla se následující stupně vybití baterie liší v závislosti na hustotě elektrolytu:

• 1,300-1,280 - plně nabitá:
• 1,280-1,200 - více než polovina vypouštění;
• 1,200-1,150 - méně než polovina nabití;
• 1,150 - prakticky vybité.

V plně nabité baterie před připojením jeho automobilovou napájecí napětí jednotlivých článků je 5/02-7/02 V. Jakmile je připojena zátěž, napětí rychle klesne na asi 2,1 V po dobu tří až čtyř minut. To je vzhledem k vytvoření tenké vrstvy síranu olovnatého na povrchu záporných elektrodových desek a mezi hlavní vrstvou a kovovým peroxidu pozitivní desky. Konečná hodnota napětí článku po připojení k automobilové síti je asi 2,15-2,18 voltů.

Když se proud začne protékat akumulátoru během první hodiny provozu, dojde k poklesu napětí až 2 V důsledku zvýšeného odporu vnitřního buněk vzhledem k tvorbě větších množství síranu, který vyplňuje póry desek a výběr kyseliny elektrolytu. Krátce před začátkem úniku proudová hustota Elektrolyt je maximálně rovný 1 300 g / cm³. Zpočátku se podtlak probíhalo rychle, ale pak nastavit vyrovnaného stavu mezi hustotou kyseliny v blízkosti desek a v podstatě elektrolytové výběru svazku elektrod podporován kyseliny vstupujícího novinek kyseliny z převážné části elektrolytu. Průměrná hustota elektrolytu stále klesá postupně na základě vztahu znázorněného na obr. vyšší. Po počátečním poklesu se napětí snižuje pomaleji, rychlost poklesu závisí na zatížení baterie. Časový graf procesu vypouštění je znázorněn na obr. níže.

Sledování elektrolytu v baterii

Na stanovení hustoty se používá hustota. Skládá se z malé utěsněné skleněné trubice s prodloužením na dolním konci, naplněné výstřižkem nebo rtutí a stupnicí na horním konci. Tato stupnice je označena od 1100 do 1300 s různými mezilehlými hodnotami, jak je znázorněno na obr. níže. Pokud je tento hustoměr umístěn v elektrolytu, spadne do určité hloubky. V takovém případě vymaže určitý objem elektrolytu a po dosažení rovnovážné polohy se váha vytěsněného objemu jednoduše rovná hmotnosti hustoměru. Vzhledem k tomu, že hustota elektrolytu se rovná poměru jeho hmotnosti k objemu a je známa hmotnost hustoměru, každá úroveň jeho ponoření do roztoku odpovídá určité hustotě. Některé parametry nemají měřítko s hodnotami hustoty, ale jsou označeny jako "Nabíjené", "Poloviční vypouštění", "Plné vypouštění" nebo podobné.