Ang dilute at concentrated sulfuric acid ay napakahalagang mga kemikal na ang mundo ay gumagawa ng higit sa mga ito kaysa sa anumang iba pang sangkap. Ang yaman ng ekonomiya ng isang bansa ay masusukat sa dami ng sulfuric acid na nagagawa nito.
Proseso ng paghihiwalay
Sulfuric acid ay ginagamit sa anyo ng mga may tubig na solusyon ng iba't ibang konsentrasyon. Sumasailalim ito sa isang dissociation reaction sa dalawang hakbang, na gumagawa ng H+ ions sa solusyon.
H2SO4 =H+ + HSO4 -;
HSO4- =H + + SO4 -2.
Malakas ang sulfuric acid, at ang unang yugto ng paghihiwalay nito ay napakatindi na halos lahat ng orihinal na molekula ay nabubulok sa H+-ion at HSO 4-1 -ions (hydrosulfate) sa solusyon. Ang huli ay bahagyang nabubulok, naglalabas ng isa pang H+-ion at nag-iiwan ng sulfate ion (SO4-2) sa solusyon. Gayunpaman, ang hydrogen sulfate, bilang isang mahinang acid, ay nananaig pa rin.sa solusyon sa H+ at SO4-2. Ang kumpletong paghihiwalay nito ay nangyayari lamang kapag ang density ng sulfuric acid solution ay lumalapit sa density ng tubig, iyon ay, na may malakas na pagbabanto.
Mga katangian ng sulfuric acid
Ito ay espesyal dahil maaari itong kumilos bilang isang normal na acid o bilang isang malakas na ahente ng oxidizing, depende sa temperatura at konsentrasyon nito. Ang malamig na dilute na solusyon ng sulfuric acid ay tumutugon sa mga aktibong metal upang bumuo ng asin (sulfate) at maglalabas ng hydrogen gas. Halimbawa, ang reaksyon sa pagitan ng malamig na dilute H2SO4 (ipagpalagay na ang kumpletong dalawang yugto ng paghihiwalay nito) at metallic zinc ay ganito ang hitsura:
Zn + H2SO4 = ZnSO4+ H2.
Ang mainit na concentrated sulfuric acid, na may density na humigit-kumulang 1.8 g/cm3, ay maaaring kumilos bilang isang oxidizing agent, na tumutugon sa mga materyales na karaniwang hindi gumagalaw sa mga acid, gaya ng tulad ng metal na tanso. Sa panahon ng reaksyon, ang tanso ay na-oxidized, at ang masa ng acid ay bumababa, isang solusyon ng tanso (II) sulfate sa tubig at gaseous sulfur dioxide (SO2) sa halip na hydrogen ay nabuo, na inaasahan kapag ang acid ay tumutugon sa metal.
Cu + 2H2SO4 =CuSO4 + SO 2 + 2H2 O.
Paano karaniwang ipinapahayag ang konsentrasyon ng mga solusyon
Sa totoo lang, ang konsentrasyon ng anumang solusyon ay maaaring ipahayag sa iba't ibang paraanparaan, ngunit ang pinaka-tinatanggap na ginagamit na konsentrasyon ng timbang. Ipinapakita nito ang bilang ng mga gramo ng isang solute sa isang partikular na masa o dami ng isang solusyon o solvent (karaniwan ay 1000 g, 1000 cm3, 100 cm3 at 1 dm 3). Sa halip na ang masa ng isang substance sa gramo, maaari mong kunin ang halaga nito na ipinahayag sa mga moles - pagkatapos ay makukuha mo ang molar concentration sa bawat 1000 g o 1 dm3 solusyon.
Kung ang konsentrasyon ng molar ay tinukoy na may kaugnayan hindi sa dami ng solusyon, ngunit sa solvent lamang, kung gayon ito ay tinatawag na molality ng solusyon. Ito ay nailalarawan sa pamamagitan ng kalayaan mula sa temperatura.
Kadalasan, ang konsentrasyon ng timbang ay ipinahiwatig sa gramo bawat 100 g ng solvent. Ang pagpaparami ng figure na ito ng 100%, makukuha mo ito sa porsyento ng timbang (porsiyento na konsentrasyon). Ito ang paraang ito na kadalasang ginagamit sa paggamit ng mga solusyon sa sulfuric acid.
Ang bawat halaga ng konsentrasyon ng isang solusyon na tinutukoy sa isang partikular na temperatura ay tumutugma sa napakaspesipikong density nito (halimbawa, ang density ng isang solusyon ng sulfuric acid). Samakatuwid, kung minsan ang solusyon ay tiyak na nailalarawan sa pamamagitan nito. Halimbawa, ang solusyon ng H2SO4, na nailalarawan sa pamamagitan ng porsyentong konsentrasyon na 95.72%, ay may density na 1.835 g/cm 3 sa t=20 °С. Paano matukoy ang konsentrasyon ng naturang solusyon, kung ang density lamang ng sulfuric acid ay ibinigay? Ang isang talahanayan na nagbibigay ng gayong sulat ay isang mahalagang bahagi ng anumang aklat-aralin sa pangkalahatan o analytical chemistry.
Halimbawa ng conversion ng konsentrasyon
Subukan nating lumipat mula sa isang paraan ng pagpapahayag ng konsentrasyonsolusyon sa iba. Ipagpalagay na mayroon tayong solusyon na H2SO4 sa tubig na may porsyentong konsentrasyon na 60%. Una, tinutukoy namin ang kaukulang density ng sulfuric acid. Ipinapakita sa ibaba ang isang talahanayan na naglalaman ng mga porsyento ng konsentrasyon (unang column) at ang mga katumbas na densidad ng mga ito ng isang may tubig na solusyon na H2SO4 (ikaapat na column).
Mula rito ay tinutukoy namin ang gustong halaga, na katumbas ng 1, 4987 g/cm3. Kalkulahin natin ngayon ang molarity ng solusyon na ito. Upang gawin ito, kinakailangang matukoy ang masa ng H2SO4 sa 1 litro ng solusyon at ang katumbas na bilang ng mga moles ng acid.
Volume na inookupahan ng 100 g ng stock solution:
100 / 1, 4987=66.7 ml.
Dahil ang 66.7 mililitro ng isang 60% na solusyon ay naglalaman ng 60 g ng acid, ang 1 litro nito ay naglalaman ng:
(60 / 66, 7) x 1000=899.55
Ang molar weight ng sulfuric acid ay 98. Kaya, ang bilang ng mga moles na nasa 899.55 g ng mga gramo nito ay magiging:
899, 55 / 98=9, 18 mol.
Ang pag-asa ng density ng sulfuric acid sa konsentrasyon ay ipinapakita sa fig. sa ibaba.
Paggamit ng sulfuric acid
Ito ay inilalapat sa iba't ibang industriya. Sa paggawa ng bakal at bakal, ginagamit ito upang linisin ang ibabaw ng metal bago ito lagyan ng ibang sangkap, ito ay kasangkot sa paglikha ng mga sintetikong tina, pati na rin ang iba pang uri ng mga asido, tulad ng hydrochloric at nitric. Siya dinginagamit sa paggawa ng mga parmasyutiko, pataba at pampasabog, at isa ring mahalagang reagent sa pag-alis ng mga dumi mula sa langis sa industriya ng pagdadalisay ng langis.
Ang kemikal na ito ay hindi kapani-paniwalang kapaki-pakinabang sa tahanan, at madaling makuha bilang sulfuric acid solution na ginagamit sa mga lead-acid na baterya (tulad ng makikita sa mga sasakyan). Ang naturang acid ay karaniwang may konsentrasyon na humigit-kumulang 30% hanggang 35% H2SO 4 ayon sa timbang, at ang iba ay tubig.
Para sa maraming aplikasyon sa bahay, 30% H2SO4 ay magiging higit pa sa sapat upang matugunan ang iyong mga pangangailangan. Gayunpaman, ang industriya ay nangangailangan din ng mas mataas na konsentrasyon ng sulfuric acid. Karaniwan, sa panahon ng proseso ng produksyon, ito ay unang lumalabas na medyo diluted at kontaminado ng mga organic na impurities. Ang concentrated acid ay nakukuha sa dalawang yugto: una ito ay dinadala sa 70%, at pagkatapos - sa ikalawang yugto - ito ay itinaas sa 96-98%, na siyang limitasyon para sa matipid na produksyon.
Density ng sulfuric acid at mga grado nito
Bagaman halos 99% sulfuric acid ay maaaring makuha sa madaling sabi sa pamamagitan ng pagkulo, ang kasunod na pagkawala ng SO3 sa boiling point ay binabawasan ang konsentrasyon sa 98.3%. Sa pangkalahatan, ang 98% variety ay mas matatag sa storage.
Ang mga komersyal na grado ng acid ay naiiba sa porsyento ng konsentrasyon nito, at para sa kanila ang mga halagang iyon ay pinili kung saan ang mga temperatura ng crystallization ay minimal. Ginagawa ito upang mabawasan ang pag-ulan ng mga kristal ng sulfuric acid.latak sa panahon ng transportasyon at pag-iimbak. Ang mga pangunahing uri ay:
- Tower (nitrous) - 75%. Ang density ng sulfuric acid ng grade na ito ay 1670 kg/m3. Kunin ito sa tinatawag na. nitrous method, kung saan ang roasting gas na nakuha sa panahon ng pag-ihaw ng mga pangunahing hilaw na materyales, na naglalaman ng sulfur dioxide SO2, sa mga lined tower (kaya ang pangalan ng iba't-ibang) ay ginagamot ng nitrous (ito ay din H2 SO4, ngunit may mga nitrogen oxide na natunaw dito). Bilang resulta, ang mga acid at nitrogen oxide ay inilalabas, na hindi natupok sa proseso, ngunit ibinabalik sa ikot ng produksyon.
- Contact - 92, 5-98, 0%. Ang density ng 98% sulfuric acid ng grade na ito ay 1836.5 kg/m3. Nakukuha rin ito mula sa pag-ihaw ng gas na naglalaman ng SO2, at kasama sa proseso ang oksihenasyon ng dioxide sa anhydride SO3 kapag nakipag-ugnayan ito (kaya ang pangalan ng variety) na may ilang layer ng solid vanadium catalyst.
- Oleum - 104.5%. Ang density nito ay 1896.8 kg/m3. Ito ay solusyon ng SO3 sa H2SO4, kung saan ang unang bahagi ay naglalaman ng 20 %, at mga acid - eksaktong 104.5%.
- Mataas na porsyento ng oleum - 114.6%. Ang density nito ay 2002 kg/m3.
- Baterya - 92-94%.
Paano gumagana ang baterya ng kotse
Ang pagpapatakbo nitong isa sa pinakamalalaking mga de-koryenteng aparato ay ganap na nakabatay sa mga prosesong electrochemical na nagaganap sa pagkakaroon ng may tubig na solusyon ng sulfuric acid.
Ang baterya ng kotse ay naglalaman ng dilute sulfuric acid electrolyte atpositibo at negatibong mga electrodes sa anyo ng ilang mga plato. Ang mga positibong plate ay gawa sa isang mapula-pula na kayumangging materyal - lead dioxide (PbO2), at ang mga negatibong plato ay gawa sa kulay-abo na "spongy" lead (Pb).
Dahil ang mga electrodes ay gawa sa lead o lead-containing material, ang ganitong uri ng baterya ay madalas na tinutukoy bilang lead-acid na baterya. Ang pagganap nito, ibig sabihin, ang magnitude ng output voltage, ay direktang tinutukoy ng kasalukuyang density ng sulfuric acid (kg/m3 o g/cm3) na napuno sa baterya bilang isang electrolyte.
Ano ang mangyayari sa electrolyte kapag na-discharge na ang baterya
Ang lead-acid na battery electrolyte ay isang solusyon ng sulfuric acid ng baterya sa chemically pure distilled water sa konsentrasyon na 30% kapag ganap na na-charge. Ang isang purong acid ay may density na 1.835 g/cm3, ang isang electrolyte ay humigit-kumulang 1.300 g/cm3. Kapag ang baterya ay pinalabas, ang mga electrochemical reaction ay nagaganap sa loob nito, bilang isang resulta kung saan ang sulfuric acid ay kinuha mula sa electrolyte. Ang density ng konsentrasyon ng solusyon ay nakasalalay halos proporsyonal, kaya dapat itong bumaba dahil sa pagbaba sa konsentrasyon ng electrolyte.
Hangga't ang discharge current ay dumadaloy sa baterya, ang acid na malapit sa mga electrodes nito ay aktibong ginagamit, at ang electrolyte ay lalong nagiging dilute. Ang pagsasabog ng acid mula sa dami ng buong electrolyte at sa mga electrode plate ay nagpapanatili ng humigit-kumulang pare-pareho ang intensity ng mga reaksiyong kemikal at, bilang resulta, ang outputboltahe.
Sa simula ng proseso ng discharge, mabilis na nangyayari ang diffusion ng acid mula sa electrolyte papunta sa mga plates dahil hindi pa nababara ng resultang sulfate ang mga pores sa aktibong materyal ng mga electrodes. Habang nagsisimulang mabuo ang sulfate at punan ang mga pores ng mga electrodes, mas mabagal ang diffusion.
Theoretically, maaari mong ipagpatuloy ang discharge hanggang sa maubos ang lahat ng acid at ang electrolyte ay purong tubig. Gayunpaman, ipinapakita ng karanasan na hindi dapat magpatuloy ang mga discharge pagkatapos bumaba ang density ng electrolyte sa 1.150 g/cm3.
Kapag bumaba ang density mula 1, 300 hanggang 1, 150, nangangahulugan ito na napakaraming sulfate ang nabuo sa panahon ng mga reaksyon, at pinupuno nito ang lahat ng mga pores sa mga aktibong materyales sa mga plato, i.e. halos lahat ng sulfuric acid. Ang density ay nakasalalay sa konsentrasyon nang proporsyonal, at sa parehong paraan ang singil ng baterya ay nakasalalay sa density. Sa fig. Ang pag-asa ng singil ng baterya sa electrolyte density ay ipinapakita sa ibaba.
Ang pagpapalit ng density ng electrolyte ay ang pinakamahusay na paraan ng pagtukoy sa estado ng paglabas ng baterya, kung ito ay ginagamit nang maayos.
Mga antas ng discharge ng baterya ng kotse depende sa density ng electrolyte
Dapat sukatin ang density nito bawat dalawang linggo at dapat na patuloy na itala ang mga pagbabasa para sa sanggunian sa hinaharap.
Kung mas siksik ang electrolyte, mas maraming acid ang nilalaman nito, at mas naka-charge ang baterya. Density sa 1.300-1.280g/cm3ay nagpapahiwatig ng buong singil. Bilang isang patakaran, ang mga sumusunod na antas ng paglabas ng baterya ay nakikilala depende sa density ng electrolyte:
- 1, 300-1, 280 - ganap na na-charge:
- 1, 280-1, 200 - higit sa kalahati ang walang laman;
- 1, 200-1, 150 - wala pang kalahating puno;
- 1, 150 - halos walang laman.
Ang fully charged na baterya ay may boltahe na 2.5 hanggang 2.7 volts bawat cell bago ikonekta sa mga mains ng sasakyan nito. Sa sandaling nakakonekta ang load, mabilis na bumababa ang boltahe sa humigit-kumulang 2.1 volts sa loob ng tatlo o apat na minuto. Ito ay dahil sa pagbuo ng isang manipis na layer ng lead sulfate sa ibabaw ng negatibong electrode plates at sa pagitan ng lead peroxide layer at ng metal ng mga positive plates. Ang huling halaga ng boltahe ng cell pagkatapos kumonekta sa network ng kotse ay humigit-kumulang 2.15-2.18 volts.
Kapag nagsimulang dumaloy ang kasalukuyang sa baterya sa unang oras ng operasyon, mayroong pagbaba ng boltahe sa 2 V, dahil sa pagtaas ng panloob na resistensya ng mga cell dahil sa pagbuo ng mas maraming sulfate, na pumupuno ang mga pores ng mga plato, at ang pag-alis ng acid mula sa electrolyte. Ilang sandali bago magsimula ang kasalukuyang daloy, ang density ng electrolyte ay pinakamataas at katumbas ng 1.300 g/cm3. Sa una, ang rarefaction nito ay mabilis na nangyayari, ngunit pagkatapos ay ang isang balanseng estado ay itinatag sa pagitan ng density ng acid malapit sa mga plato at sa pangunahing dami ng electrolyte, ang pag-alis ng acid ng mga electrodes ay sinusuportahan ng supply ng mga bagong bahagi ng acid mula sa pangunahing bahagi ng electrolyte. Sa kasong ito, ang average na density ng electrolyteay patuloy na bumababa ayon sa pag-asa na ipinapakita sa Fig. mas mataas. Pagkatapos ng paunang pagbaba, ang boltahe ay bumaba nang mas mabagal, ang rate ng pagbaba ay depende sa pagkarga sa baterya. Ang graph ng oras ng proseso ng paglabas ay ipinapakita sa fig. sa ibaba.
Pagsubaybay sa estado ng electrolyte sa baterya
Ang isang hydrometer ay ginagamit upang matukoy ang density. Binubuo ito ng isang maliit na selyadong glass tube na may expansion sa ibabang dulo na puno ng shot o mercury at isang graduated scale sa itaas na dulo. Ang sukat na ito ay may label na mula 1.100 hanggang 1.300 na may iba't ibang mga halaga sa pagitan, tulad ng ipinapakita sa Fig. sa ibaba. Kung ang hydrometer na ito ay inilagay sa isang electrolyte, ito ay lulubog sa isang tiyak na lalim. Sa paggawa nito, papalitan nito ang isang tiyak na dami ng electrolyte, at kapag naabot ang isang posisyon ng ekwilibriyo, ang bigat ng inilipat na volume ay magiging katumbas lamang ng bigat ng hydrometer. Dahil ang density ng electrolyte ay katumbas ng ratio ng timbang nito sa volume, at alam ang bigat ng hydrometer, ang bawat antas ng paglulubog nito sa solusyon ay tumutugma sa isang tiyak na density.
Ang ilang hydrometer ay walang sukat na may mga halaga ng density, ngunit minarkahan ng mga inskripsiyon: "Siningil", "Kalahating discharge", "Buong discharge" o katulad nito.
