Koncentration og tæthed af svovlsyre. Afhængighed af svovlsyre densitet på koncentration i bilbatteriet

Fortyndet og koncentreret svovlsyre er så vigtige kemiske produkter, at de i verden produceres mere end andre stoffer. Det økonomiske velstand i et land kan estimeres af mængden af svovlsyre produceret i den.

Processen med dissociation

Svovlsyre anvendes i form af vandige opløsninger af forskellige koncentrationer. Det gennemgår en dissociationsreaktion i to faser, der producerer H ⁺ ioner i opløsning.

H2SO4 = H ⁺ + HSO4-;

HSO4 ^- = H ⁺ + SO4-2.

Svovlsyre er stærk, og den første fase af dissociationen er så intens, at næsten alle modermolekylerne bryder op i H ⁺ ioner og HSO ₄ ^-1 ioner (hydrogensulfat) i opløsningen. Sidstnævnte nedbrydes delvist yderligere, frigiver en anden H ⁺ ion og efterlader sulfationen (SO4-2) i opløsning. Men hydrogensulfat, der er en svag syre, råder stadig i opløsning over H ⁺ og SO4-2. En fuldstændig dissociering af den forekommer først, når densiteten af svovlsyreopløsningen nærmer sig densiteten af vand, dvs. under stærk fortynding.

Egenskaber af svovlsyre

Det er specielt i den forstand at det kan virke som en normal syre eller som en stærk oxidant - afhængigt af dens temperatur og koncentration. En kold fortyndet opløsning af svovlsyre reagerer med de aktive metaller for at fremstille et salt (sulfat) og udviklingen af en hydrogengas. For eksempel ser reaktionen mellem kold fortyndet H2SO4 (under forudsætning af sin fuldstændige to-trins dissociation) og metallisk zink sådan ud:

Zn + H2S04 = ZnSO4 + H2.

Varm svovlsyre er koncentreret, hvis densitet er ca. 1,8 g / cm3, kan virke som en oxidator, der reagerer med materialer, der sædvanligvis er inerte for syrer, såsom for eksempel metallisk kobber. Under reaktionen oxideres kobber og syremassen falder, en kobber (II) -sulfatopløsning i vand og svovldioxidgas (SO2) dannes i stedet for hydrogen, hvilket ville forventes, når syren reagerer med metallet.

Cu + 2H2SO4 = CuSO4 + S02 + 2H20.

Hvordan er koncentrationen af opløsninger

Faktisk kan koncentrationen af en hvilken som helst opløsning udtrykkes på forskellige måder, men den mest anvendte er vægtkoncentrationen. Det viser antallet af opløst stof i en bestemt masse eller volumen af en opløsning eller opløsningsmiddel (typisk 1000 g, 1000 cc, 100 cc og 1 dm ³ ). I stedet for stoffets masse i gram kan man tage sin mængde, udtrykt i mol, - så opnås en molær koncentration pr. 1000 g eller 1 dm ³ opløsning.

Hvis molkoncentrationen bestemmes i forhold til opløsningens størrelse, men kun til opløsningsmidlet, kaldes det molalitet af opløsningen. Det er præget af temperatur uafhængighed.

Vægtkoncentrationen er ofte angivet i gram pr. 100 g opløsningsmiddel. Multiplicere denne figur med 100%, få den i vægtprocent (procentkoncentration). Det er denne metode, der oftest anvendes i applikation til opløsninger af svovlsyre.

Hver værdi af koncentrationen af opløsningen, bestemt ved en given temperatur, svarer til en meget specifik densitet (for eksempel densiteten af en opløsning af svovlsyre). Derfor er sommetider løsningen karakteriseret ved den. For eksempel har en opløsning af H2S04, karakteriseret ved en procentdel koncentration på 95,72%, en densitet på 1,835 g / cm3 ved t = 20 ° C. Hvordan bestemmes koncentrationen af en sådan opløsning, hvis kun svovlsyreindholdet er givet? En tabel, der giver en sådan korrespondance, er en integreret del af enhver lærebog om generel eller analytisk kemi.

Konverteringsreksuleringseksempel

Lad os forsøge at flytte fra en måde at udtrykke koncentrationen af opløsningen til en anden. Antag at vi har en løsning af H ₂ SO ₄ I vand med en procentdel koncentration på 60%. Først bestemmer du den passende tæthed af svovlsyre. En tabel indeholdende procentsatser (den første søjle) og de tilsvarende densiteter af en vandig opløsning af H2SO4 (fjerde søjle) er vist nedenfor.

På den bestemmer vi den krævede værdi, hvilket svarer til 1,4987 g / cm ³ . Vi beregner nu molariteten af denne løsning. Til dette er det nødvendigt at bestemme massen af H ₂ SO ₄ I 1 liter opløsning og det tilsvarende antal mol syre.

Volumenet, der optager 100 g af stamopløsningen:

100 / 1,4987 = 66,7 ml.

Da i 66,7 milliliter af en 60% opløsning indeholder 60 g syre, i 1 liter vil den indeholde:

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

Molvægten af svovlsyre er 98. Derfor vil antallet af mol indeholdt i 899,55 gram gram være:

899,55 / 98 = 9,18 mol.

Afhængigheden af svovlsyredensiteten på koncentrationen er vist i fig. nedenfor.

Brug af svovlsyre

Den bruges i forskellige brancher. Ved fremstilling af jern og stål bruges det til at rengøre metaloverfladen, inden den er belagt med et andet stof, det deltager i dannelsen af syntetiske farvestoffer samt andre typer af syrer, såsom saltsyre og salpetersyre. Det bruges også til fremstilling af lægemidler, gødninger og sprængstoffer, og det er også et vigtigt reagens, når urenheder fjernes fra olieraffinaderingsindustrien.

Dette kemikalie er utrolig nyttigt i hverdagen, og er let tilgængeligt som svovlsyreopløsning, der anvendes i blybatterier (for eksempel dem der står i biler). En sådan syre har generelt en koncentration på ca. 30% til 35% H2SO4 efter vægt, resten er vand.

For mange husholdningsapplikationer vil 30% H ₂ SO ₄ være mere end nok til at opfylde deres behov. Imidlertid kræves en meget højere koncentration af svovlsyre i industrien. Normalt i fremstillingsprocessen bliver den først opnået tilstrækkeligt fortyndet og forurenet med organiske indeslutninger. Koncentreret syre er opnået i to faser: først bliver den bragt op til 70%, og derefter - i anden fase - hæves til 96-98%, hvilket er den begrænsende indikator for økonomisk rentabel produktion.

Tætheden af svovlsyre og dens sorter

Selv om næsten 99% svovlsyre kan opnås kortvarigt ved kogning, men det efterfølgende tab af SO3 ved kogepunktet fører til et fald i koncentrationen til 98,3%. Generelt er sorten med en indikator på 98% mere stabil under opbevaring.

Varekvaliteten af syre varierer i sin procentkoncentration, og for dem vælges de valgte værdier, for hvilke krystallisationstemperaturerne er minimal. Dette gøres for at reducere udfældningen af svovlsyrekrystaller i sedimentet under transport og opbevaring. De vigtigste sorter er:

• Tårn (nitrosis) - 75%. Densiteten af svovlsyre i denne klasse er 1670 kg / m3. Få det såkaldte. Nitrosemetode, hvor den brændende gas, der indeholder svovldioxid SO2, opnået ved fyringen af det primære råmateriale, behandles med nitroser (dette er også H2SO4, men med nitrogenoxider opløst i det) i de forenede tårne (dermed sortens navn). Som et resultat frigives syre- og nitrogenoxider, som ikke forbruges i processen, men vender tilbage til produktionscyklussen.
• Kontakt - 92,5-98,0%. Svovlsyre-densiteten på 98% af denne sort er 1836,5 kg / m3. Det opnås også fra en calcineret gas indeholdende SO2, hvilken fremgangsmåde omfatter oxidation af dioxidet til et SO3-anhydrid ved kontakt (altså navnet på sorten) med flere lag af en fast vanadiumkatalysator.
• Oleum - 104,5%. Dens densitet er lig med 1896,8 kg / m ³ . Denne opløsning af SO3 i H2S04, hvor den første komponent indeholder 20%, og syrerne - den er 104,5%.
• High-interest oleum - 114,6% . Dens densitet er 2002 kg / m ³ .
• Genopladeligt - 92-94%.

Hvordan er bilens batteri

Arbejdet i denne en af de mest massive elektrotekniske indretninger er helt baseret på elektrokemiske processer, der forekommer i nærværelse af en vandig opløsning af svovlsyre.

Bilbatteriet indeholder fortyndet svovlsyreelektrolyt samt positive og negative elektroder i form af flere plader. Positive plader er lavet af rødbrunt materiale - blydioxid (PbO ₂ ), og negative er lavet af grå "svampet" bly (Pb).

Fordi elektroderne er lavet af bly eller blyholdigt materiale, kaldes denne type batteri ofte et blybatteri. Dens effektivitet, det vil sige størrelsen af udgangsspændingen, bestemmes direkte af den aktuelle svovlsyrevægt (kg / m3 eller g / cm3), der er fyldt i batteriet som en elektrolyt.

Hvad sker der med elektrolytten, når batteriet er afladet?

Elektrolytten af blybatteriet er en opløsning af oplagringssvovlsyre i kemisk rent destilleret vand med en procentuel koncentration på 30%, når den er fuldt opladet. Den rene syre har en densitet på 1.835 g / cm3, elektrolytten er ca. 1.300 g / cm3. Når batteriet er afladet, forekommer der elektrokemiske reaktioner i det, som følge heraf svovlsyre udtages fra elektrolytten. Tætheden af opløsningskoncentrationen afhænger næsten proportionalt, så den skal falde på grund af et fald i elektrolytkoncentrationen.

Så længe udstrømningsstrømmen strømmer gennem batteriet, anvendes syren nær dets elektroder aktivt, og elektrolytten bliver mere fortyndet. Diffusion af syre fra volumenet af hele elektrolytten og til elektrodpladerne opretholder omtrent konstant intensitet af kemiske reaktioner og som følge heraf udgangsspænding.

Ved begyndelsen af udladningsprocessen sker syrediffusion fra elektrolytten til pladerne hurtigt, fordi det dannede sulfat endnu ikke blokerer porerne i det aktive materiale af elektroderne. Når sulfat begynder at danne og fylde elektrodernes porer, forekommer diffusion langsommere.

Teoretisk kan du fortsætte udledningen indtil alle syre er brugt, og elektrolytten vil bestå af rent vand. Erfaringen viser imidlertid, at udledningerne ikke bør fortsætte, efter at elektrolytens tæthed er faldet til 1.150 g / cm3.

Når tætheden falder fra 1300 til 1.150 betyder det, at der er dannet så meget sulfat under reaktionerne, og det fylder alle porerne i de aktive materialer på pladerne, det vil sige, at næsten al svovlsyre allerede er fjernet fra opløsningen. Tætheden afhænger af koncentrationen, og ladningen afhænger af densiteten. I fig. Afhængigheden af batteriladningen på elektrolytens tæthed er vist nedenfor.

Ændring af elektrolytens massefylde er den bedste måde at bestemme tilstanden for udladningen af batteriet, forudsat at det anvendes korrekt.

Afladningsgrader for et bilbatteri afhængigt af elektrolytens tæthed

Dens densitet skal måles hver anden uge, og der bør opbevares en fortegnelse over aflæsninger til fremtidig brug.

Jo tættere elektrolytten er, desto mere sur er den, og jo mere oplades batteriet. Tætheden på 1.300-1.280 g / cm3 angiver den totale ladning. Som regel varierer følgende udladningsgrader for batteriet afhængigt af elektrolytens tæthed:

• 1.300-1.280 - fuldt opladet:
• 1.280-1.200 - mere end halvt udladet
• 1.200-1.150 - mindre end halvt opladet;
• 1.150 - praktisk talt udladet.

For et fuldt opladet batteri, før spændingen af hver celle er tilsluttet, er spændingen for hver celle 2,5 til 2,7 V. Når belastningen er tilsluttet, falder spændingen hurtigt til ca. 2,1 V i tre eller fire minutter. Dette skyldes dannelsen af et tyndt lag af blysulfat på overfladen af de negative elektrodplader og mellem laget af blyperoxid og metallet af de positive plader. Den endelige værdi af celle spænding efter tilslutning til automotive netværk er omkring 2,15-2,18 volt.

Når strømmen begynder at strømme gennem batteriet i løbet af den første driftstid, opstår der et spændingsfald på op til 2 V som følge af stigningen i cellernes indre modstand på grund af dannelsen af en større mængde sulfat, som fylder pladernes porer og fjernelsen af syre fra elektrolytten. Kort før strømmen er elektrolytens massefylde maksimal og lig med 1.300 g / cm3. Indledningsvis opstår dets sjældning hurtigt, men der etableres en afbalanceret tilstand mellem syretætheden nær pladerne og i elektrolytens hovedvolumen understøttes syreekstraktionen med elektroder ved ankomsten af nye syredele fra elektrolytens hoveddel. Samtidig fortsætter gennemsnitsdensiteten af elektrolytten stadigt i overensstemmelse med afhængigheden vist i fig. ovenfor. Efter den første dråbe falder spændingen langsommere, hastigheden af dens fald afhænger af batteriets belastning. Tidsgrafen for udladningsprocessen er vist i fig. nedenfor.

Overvågning af elektrolytten i batteriet

Et tæthedsmåler bruges til at bestemme densiteten. Den består af et lille forseglet glasrør med en forlængelse i nedre ende, fyldt med skud eller kviksølv, og en gradueret skala i den øvre ende. Denne skala er markeret fra 1.100 til 1.300 med forskellige mellemværdier, som vist i fig. nedenfor. Hvis dette hydrometer placeres i elektrolytten, vil det falde til en bestemt dybde. I dette tilfælde vil det forskyde en vis mængde elektrolyt, og når ligevægtspositionen er nået, vil vægten af det forskudte volumen simpelthen være lig med hydrometerets vægt. Eftersom elektrolytens densitet er lig med forholdet mellem dets vægt og volumen, og hydrometerets vægt er kendt, svarer hvert niveau af dets nedsænkning i opløsningen til en bestemt tæthed. Nogle isometre har ikke en skala med densitetsværdier, men er mærket "Charged", "Half discharge", "Full discharge" eller lignende.