Koncentracija i gustoća sumporne kiseline. Ovisnost gustoće sumporne kiseline o koncentraciji u akumulatoru automobila

2024 Autor: Angel Austin | [email protected]. Zadnja promjena: 2023-12-17 05:28

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

Proces disocijacije

Sumporna kiselina se koristi u obliku vodenih otopina različitih koncentracija. Prolazi reakciju disocijacije u dva koraka, stvarajući H⁺ iona u otopini.

H₂SO₄ =H⁺ + HSO₄ ^-;

HSO₄^- =H ⁺ + SO₄ ^-2.

Sumporna kiselina je jaka, a prva faza njezine disocijacije je toliko intenzivna da se gotovo sve izvorne molekule raspadaju u H⁺-ione i HSO ₄-1 ^{-ioni (hidrosulfat) u otopini. Potonji se djelomično dalje raspadaju, oslobađajući još jedan H}+^{-ion i ostavljajući sulfatni ion (SO}4-2) u otopini. Međutim, vodikov sulfat, kao slaba kiselina, još uvijek prevladava.u otopini preko H⁺ i SO⁴_-2. Do njezine potpune disocijacije dolazi tek kada se gustoća otopine sumporne kiseline približi gustoći vode, odnosno uz jako razrjeđenje.

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 stvara sol (sulfat) i oslobađa plinovit vodik. Na primjer, reakcija između hladnog razrijeđenog H₂SO₄ (pod pretpostavkom njegove potpune dvostupanjske disocijacije) i metalnog cinka izgleda ovako:

Zn + H₂SO₄ = ZnSO₄+ H₂.

Vruća koncentrirana sumporna kiselina, gustoće od oko 1,8 g/cm³, može djelovati kao oksidacijsko sredstvo, reagirajući s materijalima koji su inače inertni na kiseline, kao npr. poput metalnog bakra. Tijekom reakcije bakar oksidira, a masa kiseline se smanjuje, umjesto vodika nastaje otopina bakrovog (II) sulfata u vodi i plinovitog sumpordioksida (SO₂), što bi se očekivalo kada kiselina reagira s 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 tvari u danoj masi ili volumenu otopine ili otapala (obično 1000 g, 1000 cm³, 100 cm^{3 i 1 dm} 3^{). Umjesto mase tvari u gramima, možete uzeti njezinu količinu izraženu u molovima - tada se dobiva molarna koncentracija na 1000 g ili 1 dm}3 ^otopina.

Ako je molarna koncentracija definirana ne u odnosu na količinu otopine, već samo na otapalo, tada se naziva molalitet otopine. Karakterizira ga neovisnost o temperaturi.

Često je težinska koncentracija naznačena u gramima na 100 g otapala. Pomnožite ovu brojku sa 100%, dobivate je u težinskim postocima (postotna koncentracija). Upravo se ova metoda najčešće koristi u primjeni na otopine sumporne kiseline.

Svaka vrijednost koncentracije otopine određena pri danoj temperaturi odgovara njezinoj vrlo specifičnoj gustoći (na primjer, gustoći otopine sumporne kiseline). Stoga se ponekad rješenje karakterizira upravo njime. Na primjer, otopina H₂SO₄, koju karakterizira postotna koncentracija od 95,72%, ima gustoću od 1,835 g/cm 3 ^{na t=20 °S. Kako odrediti koncentraciju takve otopine, ako je navedena samo gustoća sumporne kiseline? Tablica koja daje takvu korespondenciju sastavni je dio svakog udžbenika opće ili analitičke kemije.}

Primjer konverzije koncentracije

Pokušajmo prijeći s jednog načina izražavanja koncentracijerješenje za drugo. Pretpostavimo da imamo otopinu H₂SO₄ u vodi s postotnom koncentracijom od 60%. Prvo odredimo odgovarajuću gustoću sumporne kiseline. Tablica koja sadrži postotne koncentracije (prvi stupac) i njihove odgovarajuće gustoće vodene otopine H₂SO₄ (četvrti stupac) prikazana je ispod.

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

Zapremina koju zauzima 100 g temeljne otopine:

100 / 1, 4987=66,7 ml.

Budući da 66,7 mililitara 60% otopine sadrži 60 g kiseline, 1 litra će sadržavati:

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

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

899, 55 / 98=9, 18 mol.

Ovisnost gustoće sumporne kiseline o koncentraciji 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, sudjeluje u stvaranju sintetičkih boja, kao i drugih vrsta kiselina, poput klorovodične i dušične. Ona takođerkoristi se u proizvodnji lijekova, gnojiva i eksploziva, a također je važan reagens u uklanjanju nečistoća iz nafte u industriji prerade nafte.

Ova kemikalija je nevjerojatno 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 bit će više nego dovoljno da zadovolji vaše potrebe. Međutim, industrija također zahtijeva mnogo veću koncentraciju sumporne kiseline. Obično se tijekom proizvodnog procesa najprije pokaže da je prilično razrijeđen i kontaminiran organskim nečistoćama. Koncentrirana kiselina se dobiva u dva stupnja: prvo se dovede do 70%, a zatim - u drugoj fazi - podigne na 96-98%, što je granica za ekonomski isplativu proizvodnju.

Gustoća sumporne kiseline i njezini razredi

Iako se gotovo 99% sumporne kiseline može dobiti nakratko kuhanjem, naknadni gubitak SO₃ na točki vrenja smanjuje koncentraciju na 98,3%. Općenito, sorta od 98% je stabilnija u skladištenju.

Komercijalne klase kiseline razlikuju se po postotnoj koncentraciji, a za njih se biraju one vrijednosti pri kojima su temperature kristalizacije minimalne. To se radi kako bi se smanjilo taloženje kristala sumporne kiseline.sediment tijekom transporta i skladištenja. Glavne sorte su:

• Toranj (dušišni) - 75%. Gustoća sumporne kiseline ove klase je 1670 kg/m³. Nabavite to tzv. dušična metoda, u kojoj se plin za pečenje dobiven tijekom prženja primarnih sirovina, koji sadrži sumporov dioksid SO₂, u obloženim tornjevima (otuda i naziv sorte) tretira dušikom (ovo je također H₂ SO₄, ali s dušikovim oksidima otopljenim u njemu). 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%. Gustoća 98% sumporne kiseline ove klase je 1836,5 kg/m³. Također se dobiva plinom za pečenje koji sadrži SO₂, a proces uključuje oksidaciju dioksida u anhidrid SO₃ kada dođe u kontakt (dakle naziv sorte) s nekoliko slojeva čvrstog vanadijevog katalizatora.
• Oleum - 104,5%. Njegova gustoća je 1896,8 kg/m³. Ovo je rješenje SO₃ u H₂SO₄, u kojem prva komponenta sadrži 20 %, a kiseline - točno 104,5%.
• Visoki postotak oleuma - 114,6%. Njegova gustoća je 2002 kg/m³.
• Baterija - 92-94%.

Kako radi automobilski akumulator

Rad ovog jednog od najmasovnijih električnih uređaja u potpunosti se temelji na elektrokemijskim procesima koji se odvijaju u prisutnosti vodene otopine sumporne kiseline.

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

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

Što se događa s elektrolitom kada se baterija isprazni

Elektrolit olovne baterije je otopina sumporne kiseline akumulatora u kemijski čistoj destiliranoj vodi u koncentraciji od 30% kada je potpuno napunjen. Čista kiselina ima gustoću od 1,835 g/cm³, elektrolit je oko 1,300 g/cm³. Kada se baterija isprazni, u njoj se odvijaju elektrokemijske reakcije uslijed kojih se iz elektrolita uzima sumporna kiselina. Gustoća koncentracije otopine ovisi gotovo proporcionalno, pa bi se trebala smanjiti zbog smanjenja koncentracije elektrolita.

Dok god struja pražnjenja teče kroz bateriju, kiselina u blizini njezinih elektroda se aktivno koristi, a elektrolit postaje sve razrijeđeniji. Difuzija kiseline iz volumena cijelog elektrolita i na ploče elektrode održava približno konstantan intenzitet kemijskih reakcija i, kao rezultat, izlaznapon.

Na početku procesa pražnjenja, difuzija kiseline iz elektrolita u ploče dolazi brzo jer nastali sulfat još nije začepio pore u aktivnom materijalu elektroda. Kako se sulfat počinje formirati i puniti pore elektroda, difuzija se događa 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 gustoća elektrolita padne na 1,150 g/cm³.

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

Promjena gustoće elektrolita najbolji je način određivanja stanja pražnjenja baterije, pod uvjetom da se pravilno koristi.

Stupanji pražnjenja akumulatora automobila ovisno o gustoći elektrolita

Njegovu gustoću treba mjeriti svaka dva tjedna, a očitanja treba kontinuirano snimati za buduću referencu.

Što je gušći elektrolit, više kiseline sadrži i baterija je napunjenija. Gustoća u 1.300-1.280 g/cm³označava puno punjenje. U pravilu se razlikuju sljedeći stupnjevi pražnjenja baterije ovisno o gustoći elektrolita:

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

Potpuno napunjena baterija ima napon od 2,5 do 2,7 volti po ćeliji prije nego što se spoji na električnu mrežu automobila. Čim se priključi opterećenje, napon brzo pada na oko 2,1 volta unutar 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 spajanja na automobilsku mrežu je oko 2,15-2,18 volti.

Kada struja počne teći kroz bateriju tijekom prvog sata rada, dolazi do pada napona na 2 V, zbog povećanja unutarnjeg otpora ćelija zbog stvaranja više sulfata, koji puni pore ploča i uklanjanje kiseline iz elektrolita. Neposredno prije početka strujanja, gustoća elektrolita je maksimalna i jednaka je 1.300 g/cm³. Isprva dolazi do brzog razrjeđivanja, ali tada se uspostavlja uravnoteženo stanje između gustoće 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 gustoća elektrolitanastavlja stalno opadati prema ovisnosti prikazanoj na Sl. viši. Nakon početnog pada, napon opada sporije, brzina pada ovisi o opterećenju baterije. Vremenski grafikon procesa pražnjenja prikazan je na sl. ispod.

Praćenje stanja elektrolita u bateriji

Za određivanje gustoće koristi se hidrometar. Sastoji se od male zatvorene staklene cijevi s proširenjem na donjem kraju ispunjenom sačmom ili živom i graduiranom ljestvicom na gornjem kraju. Ova skala je označena od 1.100 do 1.300 s 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 određeni volumen elektrolita, a kada se postigne ravnotežni položaj, težina istisnutog volumena jednostavno će biti jednaka težini hidrometra. Budući da je gustoća elektrolita jednaka omjeru njegove težine i volumena, a težina hidrometra je poznata, svaka razina njegovog uranjanja u otopinu odgovara određenoj gustoći.

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