Koncentrationen och densiteten av svavelsyran. Beroendet av densiteten av svavelsyrakoncentrationen i bilbatteriet

Späd och koncentrerad svavelsyra - Det är så viktigt kemikalier som de producerar mer i världen än något annat ämne. Ekonomisk rikedom av landet kan utvärderas i termer av producerad däri svavelsyra.

dissociation process

Svavelsyra används i form av vattenlösningar av olika koncentrationer. Hon undergår dissociation reaktion i två steg, som producerar H ⁺ joner är i lösning.

H ₂ SO ₄ = H ^{* +} HSO ₄ ^-;

HSO ₄ ^- = H ^{^ +} SO ₄ ^-2.

Svavelsyra är en stark, och det första steget av dissociation sker så snabbt att praktiskt taget all den ursprungliga molekylen brytas ned till H ⁺ -joner och HSO ₄ ^-1 -joner (vätesulfat) i lösning. Nyligen sönderdelas partiellt ytterligare, släppa H ⁺ joner andra och lämnar en sulfatjon (SO ₄ ^-2) i lösning. Emellertid, vätesulfat, som är en svag syra, råder fortfarande i en lösning av H ^{^} och SO ₄ ^-2. Fullständig dissociation det endast uppstår när densiteten hos svavelsyralösningen ligger nära vattnets densitet, r. F under hög utspädning.

Egenskaper hos svavelsyra

Det är speciellt i den meningen att den kan fungera som en konventionell syra eller en stark oxidator - beroende på temperatur och koncentration. En kall utspädd lösning av svavelsyra reagerar med den aktiva metallen för att ge saltet (sulfat) och utvecklingen av vätgas. Till exempel, är reaktionen mellan kall utspädd H ₂ SO ₄ (under antagande dess fullständig dissociation-steg), och zinkmetall:

Zn + H ₂ SO ₄ = ZnSO ₄ + H _2.

Den varm koncentrerad svavelsyra, vars densitet är omkring 1,8 g / cm ^3, kan fungera som en oxidant, som reagerar med material som är generellt inert mot syror, såsom exempelvis metallisk koppar. Under reaktionen är kopparoxideras, och den sura massan reduceras, en lösning bildas av kopparsulfat (II) med vatten och gasformig svaveldioxid (SO ₂₎ i stället för väte, som kan förväntas genom omsättning av syran med en metall.

Cu + 2H ₂ SO ₄ = _CUSO4 + SO ₂ + 2H ₂ O.

Som allmänt uttrycks av koncentrationen av lösningar

Faktiskt, kan koncentrationen av varje lösning uttryckas på olika sätt, men det mest använda viktkoncentration. Den visar antalet gram av löst ämne i en viss vikt eller volym av lösningen eller lösningsmedlet (typiskt 1000 g, 1000 cm ^3, 100 cm ³ och en dm ^3). I stället för massan i gram av en substans kan ta kvantitet, uttryckt i mol, - varefter den erhållna den molära koncentrationen av 1000 g eller 1 dm ³ lösning.

Om den molära koncentrationen bestäms i relation inte till den mängd av lösningen, men bara till lösningsmedlet, det kallas molaliteten av lösningen. Den kännetecknas av oberoende av temperaturen.

Ofta viktkoncentrationen anges i gram per 100 g lösningsmedel. Multiplicera denna siffra med 100%, är det framställs på viktprocent (per koncentration). Dvs., är denna metod som oftast används såsom tillämpad på en svavelsyralösning.

Varje värde på lösningens koncentration, bestämd vid en given temperatur, motsvarar den till en mycket specifik densitet (t ex tätheten av svavelsyralösning). Därför, ibland kännetecknas lösningen. Till exempel, H ₂ SO _4-lösning, känne procentuella koncentrationen 95,72%, en densitet av 1,835 g / cm ³ vid t = 20 ° C Hur man bestämmer koncentrationen av en sådan lösning, om de får bara svavelsyra densitet? Tabell ger en sådan korrespondens är en fixtur av någon lärobok om allmän eller analytisk kemi.

EXEMPEL koncentration omräkning

Låt gå från ett uttryckssätt till en annan lösning koncentration. Antag att vi har H ₂ SO ₄ lösning i vatten med 60% koncentration av intresse. Vi definierar först densiteten hos motsvarande svavelsyra. Tabell som innehåller procentsatser (första kolumnen) och motsvarande densitet av vattenlösningen av H ₂ SO ₄ (fjärde kolumnen), visas nedan.

Den bestämmer det önskade värdet som är lika med 1,4987 g / cm ^3. Vi beräknar nu molariteten av lösningen. För detta är det nödvändigt att bestämma massan av H ₂ SO ₄ i en liter lösning och motsvarande antalet mol syra.

Volym, som upptar 100 g av förrådslösning:

100 / 1,4987 = 66,7 ml.

Eftersom i 66,7 ml 60% -ig lösning innehöll 60 g av syran i en liter av det kommer att innehålla:

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

svavelsyra molvikt lika med 98. Således antalet mol som finns i 899,55 g av dess gram, kommer att vara:

899,55 / 98 = 9,18 mol.

Beroendet av densiteten hos svavelsyrakoncentrationen är visad i fig. nedan.

Användning av svavelsyra

Det används i olika branscher. Vid framställning av järn och stål används för rengöring av metallytan innan den är täckt med en annan substans involverad i skapandet av syntetiska färgämnen samt andra typer av syror, såsom saltsyra och salpetersyra. Den används också vid framställning av farmaceutiska produkter, gödningsmedel och sprängämnen, och är fortfarande en viktig reagens i att avlägsna föroreningar från råolja inom raffineringsindustrin.

Denna kemikalie är mycket användbar i det dagliga livet, och är lätt tillgänglig som en svavelsyralösning som används i blybatterier (t ex de som är i bilar). Sådan syra har i allmänhet en koncentration av från ca 30% till 35% H ₂ SO ₄ vikt, varvid resten - vatten.

För många konsumentapplikationer 30% H ₂ SO ₄ kommer att vara mer än tillräckligt för att möta deras behov. Men i branschen och det kräver en mycket högre koncentration av svavelsyra. Typiskt under tillverkning det erhålles först tillräckligt utspädd och kontaminerad med organiska inneslutningar. Koncentrerad syra erhålles i två steg: först, visade det justerades till 70%, och sedan - i ett andra steg - höjs till 96-98%, vilket är den begränsande parametern för ekonomiskt lönsam produktion.

Densiteten hos den svavelsyra och dess sorter

Även om nästan 99% svavelsyra kan vara kortvarigt vid återloppskokning, men efterföljande förlust av SO ₃ vid kokpunkten minskar koncentrationen till 98,3%. I allmänhet, de arter som har indexet 98% mer stabila vid lagring.

Kommersiell kvalitet syror varierar i dess koncentration av intresse, och för vilka det är valt dessa värden vid vilka den låga kristallisationstemperaturen. Detta görs för att minska förlusten av svavelsyraestrar kristaller utfälles under transport och lagring. De viktigaste sorterna är:

• Tornet (lustgas) - 75%. Svavelsyra densitet av klassen är lika med 1670 kg / m ^3. Få hans så kallade. nitrous metod i vilken den erhållna nitroso behandlade (detta är också H ₂ SO _4, men med upplösta kväveoxider) i den primära bränning av den kalcinerade rågas innehållande svaveldioxid SO _2, i inklädda torn (därav namnet sorter). Som ett resultat fördelas syra- och kväveoxider som inte konsumeras i processen, och återföras till produktionscykeln.
• Kontakt - 92,5-98,0%. Svavelsyra densitet av 98% av klassen är lika med 1836.5 kg / m ^3. Det erhållna också från rost gaser innehållande _SO2, varvid förfarandet innefattar anhydrid dioxid oxidation till SO ₃ med sin kontakt (därav namnet kvalitet) med flera skikt av fasta vanadinkatalysator.
• Oleum - 104,5%. Dess densitet är lika med 1896,8 kg / m ^3. Denna lösning av SO ₃ i H ₂ SO _4, vari den första komponenten innehåller 20%, och syra - är 104,5%.
• Högkvalitativ oleum - 114,6%. Dess densitet - 2002 kg / m ^3.
• Batteri - 92-94%.

Hur bilbatteriet

Driften av denna en av de mest populära elektriska anordningar grundar sig helt på de elektrokemiska processer som sker i närvaro av vattenlösning av svavelsyra.

Bilbatteri innehåller utspädd svavelsyra elektrolyt, och positiva och negativa elektroder i form av flera plattor. Positiva plattorna är gjorda av ett rödbrunt material - av bly dioxid (PbO _2), och negativa - av gråaktig "svamp" bly (Pb).

Eftersom elektroderna är gjorda av bly eller blyad material, är denna typ av batteri som ofta kallas blybatteri. Dess funktionsduglighet, t. E. Utspänningen direkt bestäms av vad som är vid denna tidpunkt tätheten av svavelsyra (kg / m3 eller g / cm ^3), fylld i batteriet som elektrolyt.

Vad händer med elektrolyten när batteriet utsläpp,

Elektrolyten blybatteri är ett uppladdningsbart lösning av svavelsyra i en kemiskt rent destillerat vatten med en koncentration av intresse av 30% vid full laddning. Netto syra har en densitet av 1,835 g / cm ^3, elektrolyt - ca 1,300 g / cm ^3. När batteriet är urladdat, uppträder det elektrokemiska reaktioner som resulterar i svavelsyran avlägsnas från elektrolyten. Lösningens koncentration beror nästan proportionell mot densiteten, så det borde minska på grund av minskningen i elektrolytkoncentrationen.

Så länge som urladdningsströmmen flyter genom batteriet syra används ofta nära dess elektroder och elektrolyten blir mer utspädd. syra diffusion från den totala volymen av elektrolyten och elektrodplattorna stöder ungefär konstant intensitet av kemiska reaktioner och följaktligen utspänningen.

I början av urladdningsprocessen av diffusion av den sura elektrolyten i plattan sker snabbt eftersom den resulterande sulfat med än skårade porer i det aktiva materialet hos elektroderna. När sulfat börjar bildas och fyller porerna i elektroderna, tar diffusion placera långsammare.

Teoretiskt är det möjligt att fortsätta att släppa så länge all syra inte kommer att användas, och elektrolyten kommer att bestå av rent vatten. Erfarenheten visar emellertid att nivån inte bör fortsätta efter elektrolyten densiteten sjunkit till 1,150 g / cm ^3.

När densiteten minskar från 1300 till 1150, vilket innebär att mycket sulfat bildades under reaktionen, och det fyller alla porer i det aktiva materialet på plattorna, dvs. E. Från lösningen redan är vald nästan all svavelsyra. Densiteten beror på koncentrationen proportionellt, och på liknande sätt, densiteten för laddningen av batteriet beror på. Fig. nedan visar beroendet av batteri elektrolyt densitet.

Ändra densiteten hos elektrolyten, det bästa sättet att bestämma batteriurladdningstillstånd, förutsatt att det används på rätt sätt.

Grader bilbatteri urladdning beroende på elektrolytdensiteten

Dess densitet ska mätas varannan vecka och måste alltid hållas läsa posten för framtida bruk.

Den tätare elektrolyt, desto mer sura den innehåller och ju mer batteriet är laddat. Densitet 1,300-1,280 g / cm ³ indikerar en full laddning. Typiskt, efter batteriurladdningsgraden varierar beroende på elektrolytens densitet:

• 1,300-1,280 - fulladdat:
• 1,280-1,200 - mer än halv tom;
• 1,200-1,150 - debiteras mindre än hälften;
• 1150 - nästan tom.

I ett fulladdat batteri innan ansluta sitt fordonsmatningsspänning av varje cell är 2,5 till 2,7 V. Så snart som belastningen är ansluten, faller spänningen snabbt till ca 2,1 V under tre eller fyra minuter. Detta beror på bildningen av ett tunt skikt av blysulfat på ytan av de negativa elektrodplattorna och mellan ledningsskiktet och metall peroxid positiva plattor. Det slutliga värdet på cellspänningen efter ett vägnät ansluter cirka 2,15-2,18 volt.

När ström börjar flyta genom batteriet under den första timmen av drift finns det ett spänningsfall till 2 V på grund av ökad inre resistans cell på grund av bildning av större mängder av sulfat som fyller porerna i plattorna och valet av elektrolyt syra. Strax före start av flödet av strömtätheten hos elektrolyten är maximal och lika med 1,300 g / cm ^3. Initialt det undertryck inträffar snabbt, men sedan ställa det balanserade tillstånd mellan densiteten av syra nära plattorna och väsentligen elektrolyt- urvalsvolym elektroder uppburen syra inmatning av ny bitar syra från bulken av elektrolyten. Den genomsnittliga densiteten hos elektrolyten fortsätter att minska stadigt på förhållandet som visas i fig. ovan. Efter en initial nedgång spänningen minskar långsammare, dess hastighet av reduktion beror på batteriets belastning. Tidsschema urladdningsprocessen visas i fig. nedan.

Kontroll av tillståndet i elektrolyten i batteriet

Att bestämma densiteten hydrometer användes. Den består av ett tillslutet glasrör med en förlängning vid den nedre änden, fylld med kvicksilver eller skottet, och en graderad skala på den övre änden. Denna skala märkt från 1100 till 1300 med olika mellanliggande värden, såsom visas i fig. nedan. Om hydrometern är placerad i en elektrolyt, kommer det att sjunka till ett visst djup. Det kommer sålunda att förskjuta en viss volym av elektrolyt, och när jämviktsläget har uppnåtts, kommer vikten av den undanträngda volymen vara precis lika med vikten hydrometern. Eftersom densiteten hos elektrolyten är lika med förhållandet mellan dess vikt till volym, och vikt av hydrometern är känt, då varje nivå av nedsänkning i lösningen motsvarar en särskild dess densitet. Vissa hydro har med värdena för densitet skala, men är markerade med "Charged", "halv siffra", "Full urladdning" eller liknande.