Fortyndet og koncentreret svovlsyre er så vigtige kemikalier, at verden producerer mere af dem end noget andet stof. Et lands økonomiske rigdom kan måles ved mængden af svovlsyre, det producerer.
Dissociationsproces
Svovlsyre anvendes i form af vandige opløsninger i forskellige koncentrationer. Det gennemgår en dissociationsreaktion i to trin, der producerer H+ ioner i opløsning.
H2SO4 =H+ + HSO4 -;
HSO4- =H + + SO4 -2.
Svovlsyre er stærk, og den første fase af dens dissociation er så intens, at næsten alle de oprindelige molekyler nedbrydes til H+-ioner og HSO 4-1 -ioner (hydrosulfat) i opløsning. Sidstnævnte henfalder delvist yderligere, frigiver endnu en H+-ion og efterlader en sulfation (SO4-2) i opløsning. Imidlertid er hydrogensulfat, som er en svag syre, stadig fremherskende.i opløsning over H+ og SO4-2. Dens fuldstændige dissociation sker kun, når svovlsyreopløsningens densitet nærmer sig densiteten af vand, det vil sige med kraftig fortynding.
Svovlsyres egenskaber
Den er speciel ved, at den kan fungere som en normal syre eller som et stærkt oxidationsmiddel, afhængigt af dens temperatur og koncentration. En kold fortyndet opløsning af svovlsyre reagerer med aktive metaller for at danne et s alt (sulfat) og frigive brintgas. For eksempel ser reaktionen mellem kold fortyndet H2SO4 (forudsat dens fuldstændige to-trins dissociation) og metallisk zink således ud:
Zn + H2SO4 = ZnSO4+ H2.
Varmkoncentreret svovlsyre, med en massefylde på omkring 1,8 g/cm3, kan fungere som et oxidationsmiddel, der reagerer med materialer, der norm alt er inerte over for syrer, som f.eks. som metallisk kobber. Under reaktionen oxideres kobber, og syrens masse falder, der dannes en opløsning af kobber(II)sulfat i vand og gasformig svovldioxid (SO2) i stedet for hydrogen, hvilket ville forventes, når syren reagerer med metal.
Cu + 2H2SO4 =CuSO4 + SO 2 + 2H2 O.
Hvordan udtrykkes koncentrationen af opløsninger generelt
Faktisk kan koncentrationen af enhver opløsning udtrykkes i forskelligemåder, men den mest udbredte vægtkoncentration. Den viser antallet af gram af et opløst stof i en given masse eller volumen af en opløsning eller opløsningsmiddel (norm alt 1000 g, 1000 cm3, 100 cm3 og 1 dm 3). I stedet for massen af et stof i gram, kan du tage dets mængde udtrykt i mol - så får du den molære koncentration pr. 1000 g eller 1 dm3 solution.
Hvis den molære koncentration er defineret i forhold til ikke mængden af opløsningen, men kun til opløsningsmidlet, så kaldes det opløsningens molalitet. Det er karakteriseret ved uafhængighed af temperatur.
Ofte er vægtkoncentrationen angivet i gram pr. 100 g opløsningsmiddel. Multiplicerer du dette tal med 100 %, får du det i vægtprocent (procentkoncentration). Det er denne metode, der oftest bruges til svovlsyreopløsninger.
Hver værdi af koncentrationen af en opløsning bestemt ved en given temperatur svarer til dens meget specifikke massefylde (f.eks. massefylden af en opløsning af svovlsyre). Derfor er løsningen nogle gange præget af netop det. For eksempel har en opløsning af H2SO4, karakteriseret ved en procentkoncentration på 95,72 %, en massefylde på 1,835 g/cm 3 ved t=20 °С. Hvordan bestemmer man koncentrationen af en sådan opløsning, hvis kun vægtfylden af svovlsyre er angivet? En tabel med en sådan korrespondance er en integreret del af enhver lærebog om generel eller analytisk kemi.
Eksempel på koncentrationskonvertering
Lad os prøve at flytte fra én måde at udtrykke koncentration påløsning til en anden. Antag, at vi har en opløsning af H2SO4 i vand med en procentkoncentration på 60 %. Først bestemmer vi den tilsvarende densitet af svovlsyre. En tabel, der indeholder procentkoncentrationer (første kolonne) og deres tilsvarende densiteter af en vandig opløsning af H2SO4 (fjerde kolonne) er vist nedenfor.
Udfra den bestemmer vi den ønskede værdi, som er lig med 1, 4987 g/cm3. Lad os nu beregne molariteten af denne opløsning. For at gøre dette er det nødvendigt at bestemme massen af H2SO4 i 1 liter opløsning og det tilsvarende antal mol syre
Volumen optaget af 100 g stamopløsning:
100 / 1, 4987=66,7 ml.
Da 66,7 milliliter af en 60 % opløsning indeholder 60 g syre, vil 1 liter af den indeholde:
(60 / 66, 7) x 1000=899,55
Molvægten af svovlsyre er 98. Derfor vil antallet af mol indeholdt i 899,55 g af dens gram være:
899, 55/98=9, 18 mol.
Tætheden af svovlsyres afhængighed af koncentrationen er vist i fig. nedenfor.
Brug af svovlsyre
Det anvendes i forskellige industrier. Ved fremstilling af jern og stål bruges det til at rense overfladen af metallet, før det belægges med et andet stof, det er involveret i skabelsen af syntetiske farvestoffer, samt andre typer syrer, såsom s altsyre og salpeter. Hun ogsåbruges til produktion af lægemidler, gødning og sprængstoffer, og er også et vigtigt reagens til fjernelse af urenheder fra olie i olieraffineringsindustrien.
Dette kemikalie er utroligt nyttigt i hjemmet og er let tilgængeligt som en svovlsyreopløsning, der bruges i bly-syre-batterier (som dem, der findes i biler). En sådan syre har typisk en koncentration på omkring 30 % til 35 % H2SO 4 efter vægt, mens resten er vand.
For mange hjemmeapplikationer vil 30 % H2SO4 være mere end nok til at opfylde dine behov. Men industrien kræver også en meget højere koncentration af svovlsyre. Norm alt viser det sig først under produktionsprocessen at være ret fortyndet og forurenet med organiske urenheder. Den koncentrerede syre opnås i to trin: Først bringes den til 70 %, og derefter - i anden fase - hæves den til 96-98 %, hvilket er grænsen for økonomisk bæredygtig produktion.
Tæthed af svovlsyre og dens kvaliteter
Selvom næsten 99% svovlsyre kan opnås kortvarigt ved kogning, reducerer det efterfølgende tab af SO3 ved kogepunktet koncentrationen til 98,3%. Generelt er sorten på 98 % mere stabil ved opbevaring.
Kommercielle kvaliteter af syre adskiller sig i dens procentvise koncentration, og for dem vælges de værdier, hvor krystallisationstemperaturerne er minimale. Dette gøres for at reducere udfældningen af svovlsyrekrystaller.sediment under transport og opbevaring. De vigtigste sorter er:
- Tower (nitrøs) - 75 %. Densiteten af svovlsyre af denne kvalitet er 1670 kg/m3. Få det såkaldt. nitrøs metode, hvor ristegassen opnået under ristning af primære råvarer, indeholdende svovldioxid SO2, i forede tårne (deraf navnet på sorten) behandles med nitrøs (dette er også H2 SO4, men med nitrogenoxider opløst deri). Som følge heraf frigives syre- og nitrogenoxider, som ikke forbruges i processen, men returneres til produktionscyklussen.
- Kontakt – 92, 5-98, 0 %. Densiteten af 98 % svovlsyre af denne kvalitet er 1836,5 kg/m3. Det opnås også fra ristningsgas indeholdende SO2, og processen omfatter oxidation af dioxid til anhydrid SO3 , når den kommer i kontakt (derfor sortens navn) med flere lag fast vanadiumkatalysator.
- Oleum - 104,5 %. Dens massefylde er 1896,8 kg/m3. Dette er en løsning af SO3 i H2SO4, hvor den første komponent indeholder 20 %, og syrer - nøjagtigt 104,5%.
- Høj procent oleum - 114,6 %. Dens massefylde er 2002 kg/m3.
- Batteri - 92-94%.
Sådan fungerer et bilbatteri
Driften af dette en af de mest massive elektriske enheder er fuldstændig baseret på elektrokemiske processer, der forekommer i nærværelse af en vandig opløsning af svovlsyre.
Bilbatteriet indeholder fortyndet svovlsyreelektrolyt ogpositive og negative elektroder i form af flere plader. De positive plader er lavet af et rødbrunt materiale - blydioxid (PbO2), og de negative plader er lavet af gråligt "svampet" bly (Pb).
Fordi elektroderne er lavet af bly eller blyholdigt materiale, omtales denne type batteri ofte som et bly-syre-batteri. Dens ydeevne, dvs. størrelsen af udgangsspændingen, er direkte bestemt af strømtætheden af svovlsyre (kg/m3 eller g/cm3), der er fyldt i batteriet som en elektrolyt.
Hvad sker der med elektrolytten, når batteriet er afladet
Bly-syre batterielektrolyt er en opløsning af batteri svovlsyre i kemisk rent destilleret vand i en koncentration på 30 %, når det er fuldt opladet. En ren syre har en massefylde på 1,835 g/cm3, en elektrolyt er omkring 1,300 g/cm3. Når batteriet er afladet, sker der elektrokemiske reaktioner i det, hvorved der udtages svovlsyre fra elektrolytten. Densiteten af opløsningskoncentrationen afhænger næsten proportion alt, så den bør falde på grund af et fald i elektrolytkoncentrationen.
Så længe afladningsstrømmen løber gennem batteriet, bruges syren nær dets elektroder aktivt, og elektrolytten bliver mere og mere fortyndet. Diffusion af syre fra volumen af hele elektrolytten og til elektrodepladerne opretholder en tilnærmelsesvis konstant intensitet af kemiske reaktioner og som et resultat af outputtetspænding.
I begyndelsen af afladningsprocessen sker diffusion af syre fra elektrolytten ind i pladerne hurtigt, fordi det resulterende sulfat endnu ikke har tilstoppet porerne i elektrodernes aktive materiale. Når sulfat begynder at dannes og fylde elektrodernes porer, sker diffusionen langsommere.
Teoretisk set kan du fortsætte udledningen, indtil al syren er brugt op, og elektrolytten er rent vand. Men erfaringen viser, at udladninger ikke bør fortsætte, efter at elektrolyttens tæthed er faldet til 1.150 g/cm3.
Når massefylden falder fra 1.300 til 1.150, betyder det, at der blev dannet så meget sulfat under reaktionerne, og det fylder alle porerne i de aktive materialer på pladerne, altså næsten al svovlsyre. Tætheden afhænger af koncentrationen proportion alt, og på samme måde afhænger batteriopladningen af tætheden. På fig. Batteriladningens afhængighed af elektrolytdensiteten er vist nedenfor.
Ændring af densiteten af elektrolytten er det bedste middel til at bestemme et batteris afladningstilstand, forudsat at det bruges korrekt.
Aladningsgrader for et bilbatteri afhængigt af elektrolyttens tæthed
Dens massefylde bør måles hver anden uge, og aflæsningerne bør løbende registreres til fremtidig reference.
Jo tættere elektrolytten er, jo mere syre indeholder den, og jo mere opladet er batteriet. Massefylde i 1.300-1.280 g/cm3angiver fuld opladning. Som regel skelnes følgende grader af batteriafladning afhængigt af elektrolyttens tæthed:
- 1, 300-1, 280 - fuldt opladet:
- 1, 280-1, 200 - mere end halvtomt;
- 1, 200-1, 150 - mindre end halvt fyldt;
- 1, 150 - næsten tom.
Et fuldt opladet batteri har en spænding på 2,5 til 2,7 volt pr. Dette skyldes dannelsen af et tyndt lag blysulfat på overfladen af de negative elektrodeplader og mellem blyperoxidlaget og metallet i de positive plader. Den endelige værdi af cellespændingen efter tilslutning til bilnetværket er omkring 2,15-2,18 volt.
Når der begynder at løbe strøm gennem batteriet i løbet af den første driftstime, sker der et spændingsfald til 2 V, på grund af en stigning i cellernes indre modstand på grund af dannelsen af mere sulfat, som fylder pladernes porer, og fjernelse af syre fra elektrolytten. Kort før starten af strømmen er elektrolyttens tæthed maksimal og lig med 1.300 g/cm3. Til at begynde med sker dets sjældenhed hurtigt, men derefter etableres en afbalanceret tilstand mellem tætheden af syren nær pladerne og i elektrolyttens hovedvolumen, fjernelse af syre fra elektroderne understøttes af tilførsel af nye dele af syre fra hoveddelen af elektrolytten. I dette tilfælde den gennemsnitlige tæthed af elektrolyttenfortsætter med at falde støt i overensstemmelse med afhængigheden vist i fig. højere. Efter det indledende fald falder spændingen langsommere, faldhastigheden afhænger af belastningen på batteriet. Tidsgrafen for udledningsprocessen er vist i fig. nedenfor.
Overvågning af elektrolyttens tilstand i batteriet
Et hydrometer bruges til at bestemme massefylden. Den består af et lille forseglet glasrør med en ekspansion i den nederste ende fyldt med hagl eller kviksølv og en gradueret skala i den øvre ende. Denne skala er mærket fra 1.100 til 1.300 med forskellige værdier imellem, som vist i fig. under. Hvis dette hydrometer placeres i en elektrolyt, vil det synke til en vis dybde. Derved vil den fortrænge et vist volumen elektrolyt, og når en ligevægtsposition nås, vil vægten af det forskudte volumen blot være lig med vægten af hydrometeret. Da elektrolyttens densitet er lig med forholdet mellem dens vægt og volumen, og hydrometerets vægt er kendt, svarer hvert niveau af dets nedsænkning i opløsningen til en vis densitet.
Nogle hydrometre har ikke en skala med densitetsværdier, men er markeret med inskriptionerne: "Charged", "Half discharge", "Full discharge" eller lignende.
