Концентрація і щільність сірчаної кислоти. Залежність щільності сірчаної кислоти від концентрації в акумуляторі автомобіля

Розбавлена і концентрована сірчана кислота - це настільки важливі хімічні продукти, що в світі їх виробляється більше, ніж будь-яких інших речовин. Економічне багатство країни може бути оцінений за обсягом виробленої в ній сірчаної кислоти.

процес дисоціації

Сірчана кислота застосовується у вигляді водних розчинів різної концентрації. Вона піддається реакції дисоціації в два етапи, виробляючи H⁺-іони в розчині.

H₂SO₄= H⁺+ HSO₄^-;

HSO₄^-= H ⁺+ SO₄^-2.

Сірчана кислота є сильною, і перший етап її дисоціації відбувається настільки інтенсивно, що практично всі вихідні молекули розпадаються на H⁺-іони і HSO₄^-1-іони (гідросульфату) в розчині. Останні частково розпадаються далі, виділяючи інший H⁺-іон і залишаючи сульфат-іон (SO₄^-2 ) В розчині. Однак гидросульфат, будучи слабкою кислотою, все ж превалює в розчині над H⁺ і SO₄^-2 . Повна дисоціація його відбувається тільки, коли щільність розчину сірчаної кислоти наближається до щільності води, т. е при сильному розведенні.

Властивості сірчаної кислоти

Вона є особливою в тому сенсі, що може діяти як звичайна кислота або як сильний окислювач - в залежності від її температури і концентрації. Холодний розбавлений розчин сірчаної кислоти реагує з активними металами з отриманням солі (сульфату) і виділенням газу водню. Наприклад, реакція між холодної розведеною Н₂SO₄(В припущенні її повної двохетапній дисоціації) і металевим цинком виглядає так:

Zn + Н₂SO₄=ZnSO₄+ H₂.

Гаряча сірчана кислота концентрована, щільність якої близько 1,8 г / см³, може діяти в якості окислювача, реагуючи з матеріалами, які зазвичай інертні до кислот, такими, наприклад, як металева мідь. В процесі реакції мідь окислюється, а маса кислоти зменшується, утворюється розчин сульфату міді (II) у воді і газоподібна двоокис сірки (SO₂) Замість водню, чого можна було б очікувати при взаємодії кислоти з металом.

Cu + 2Н₂SO₄= CuSO₄+ SO₂+ 2H₂O.

Як взагалі виражається концентрація розчинів

Власне, концентрація будь-якого розчину може бути виражена різними способами, але найбільш широко використовується вагова концентрація. Вона показує кількість грамів розчиненої речовини в певній масі або об`ємі розчину або розчинника (зазвичай 1000 г, 1000 см³, 100 см³і 1 дм³). Замість маси речовини в грамах можна брати його кількість, виражене в молях, - тоді виходить молярна концентрація на 1000 г або 1 дм³розчину.

Якщо молярна концентрація визначена по відношенню не до кількості розчину, а тільки до розчинника, то вона носить назву молекулярний розчину. Для неї характерна незалежність від температури.

Найчастіше вагову концентрацію вказують в грамах на 100 г розчинника. Помноживши цей показник на 100%, отримують її в вагових відсотках (процентна концентрація). Саме цей спосіб є найбільш часто вживаним в застосуванні до розчинів сірчаної кислоти.

Кожній величині концентрації розчину, визначеної при даній температурі, відповідає цілком конкретна його щільність (наприклад, щільність розчину сірчаної кислоти). Тому іноді розчин характеризують саме нею. Наприклад, розчин Н₂SO₄, характеризується процентної концентрацією 95,72%, має щільність 1,835 г / см³при t = 20 ° С. Як же визначити концентрацію такого розчину, якщо дана тільки щільність сірчаної кислоти? Таблиця, що дає таке відповідність, є невід`ємною приналежністю будь-якого підручника по загальній або аналітичної хімії.

Приклад перерахунку концентрації

Спробуємо перейти від одного способу вираження концентрації розчину до іншого. Припустимо, що ми маємо розчин Н₂SO₄в воді з процентною концентрацією 60%. Спочатку визначимо відповідну щільність сірчаної кислоти. Таблиця, що містить процентні концентрації (перший стовпець) і відповідні їм щільності водного розчину Н₂SO₄(Четвертий стовпець), наведена нижче.

По ній визначаємо шукану величину, яка дорівнює 1,4987 г / см³. Обчислимо тепер молярность даного розчину. Для цього необхідно визначити масу Н₂SO₄в 1 л розчину і відповідне їй число молей кислоти.

Обсяг, який займають 100 г вихідного розчину:

Відео: Як виміряти щільність електроліту в акумуляторі

100 / 1,4987 = 66,7 мл.

Так як в 66,7 мілілітрах 60% -ного розчину міститься 60 г кислоти, то в 1 л її міститиметься:

(60 / 66,7) х 1000 = 899, 55 м

Молярний вага сірчаної кислоти дорівнює 98. Звідси число молей, що містяться в 899,55 г її грамах, дорівнюватиме:

899,55 / 98 = 9,18 моль.

Залежність щільності сірчаної кислоти від концентрації наведена на рис. нижче.

Відео: Підготовка автомобільного акумулятора до зими

Використання сірчаної кислоти

Вона застосовується в різних галузях промисловості. У виробництві чавуну і сталі вона використовується для очищення поверхні металу, перш ніж він покривається іншим речовиною, бере участь у створенні синтетичних барвників, а також інших типів кислот, таких як соляна і азотна. Вона також застосовується у виробництві фармпрепаратів, добрив і вибухових речовин, а ще є важливим реагентом при видаленні домішок з нафти в нафтопереробній промисловості.

Це хімічна речовина є неймовірно корисним і в побуті, і легко доступно як розчин сірчаної кислоти, що використовується в свинцево-кислотних акумуляторних батареях (наприклад, тих, що стоять в автомобілях). Така кислота, як правило, має концентрацію приблизно від 30% до 35% H₂SO ₄ за вагою, решта - вода.

Для багатьох побутових додатків 30% Н₂SO₄ буде більш ніж достатньо, щоб задовольнити свої потреби. Однак в промисловості потрібно і значно більш висока концентрація сірчаної кислоти. Зазвичай в процесі виробництва вона спочатку виходить досить розведеної і забрудненої органічними включеннями. Концентровану кислоту отримують в два етапи: спочатку її доводять до 70%, а потім - на другому етапі - піднімають до 96-98%, що є граничним показником для економічно рентабельного виробництва.

Щільність сірчаної кислоти і її сорти

Хоча майже 99% -ву сірчану кислоту можна отримати короткочасно при кипінні, але подальша втрата SO₃ в точці кипіння призводить до зниження концентрації до 98,3%. Взагалі, різновид з показником 98% більш стійка в зберіганні.

Товарні сорти кислоти розрізняються по її відсоткової концентрації, причому для них обрані ті її значення, при яких мінімальні температури кристалізації. Це зроблено для зменшення випадання кристалів сірчаної кислоти в осад при транспортуванні і зберіганні. Основні сорти такі:

Баштова (нитрозного) - 75%. Щільність сірчаної кислоти цього сорту дорівнює 1670 кг / м³. Отримують його т.зв.. нітрозним методом, при якому одержуваний при випаленні первинної сировини випалювальних газ, що містить двоокис сірки SO₂, в футерованих вежах (звідси і назва сорту) обробляють нітроза (це теж H₂SO₄, але з розчиненими в ній оксидами азоту). В результаті виділяються кислота і оксиди азоту, які не витрачаються в процесі, а повертаються в виробничий цикл.
Контактна - 92,5-98,0%. Щільність сірчаної кислоти 98% -ної цього сорту дорівнює 1836,5 кг / м³. Отримують її також з обжигового газу, що містить SO₂, причому процес включає окислення двоокису до ангідриду SO₃при її контакті (звідси і назва сорту) з декількома шарами твердого ванадієвого каталізатора.
Олеум - 104,5%. Щільність його дорівнює 1896,8 кг / м³. Це розчин SO₃в H₂SO₄, в якому першого компонента міститься 20%, а кислоти - саме 104,5%.
Речовини з високим процентним олеум - 114,6%. Його щільність - 2002 кг / м³.
Акумуляторна - 92-94%.

Як влаштований автомобільний акумулятор

Робота цього одного з наймасовіших електротехнічних пристроїв повністю заснована на електрохімічних процесах, що відбуваються в присутності водного розчину сірчаної кислоти.

Автомобільний акумулятор містить розведений сірчано-кислотний електроліт, а також позитивний і негативний електроди у вигляді декількох пластин. Позитивні пластини виконані з червонувато-коричневого матеріалу - діоксиду свинцю (PbO₂), А негативні - з сірого «губчастого» свинцю (Pb).

Оскільки електроди виготовлені з свинцю або свинцовоутримуюча матеріалу, то цей тип батареї часто називають свинцево-кислотних акумулятором. Працездатність його, т. Е. Величина вихідної напруги, безпосередньо залежить від того, яка в даний момент часу щільність сірчаної кислоти (кг / м3 або г / см³), Залитої в акумулятор в якості електроліту.

Що відбувається з електролітом при розряді акумулятора

електроліт свинцево-кислотного акумулятора являє собою розчин акумуляторної сірчаної кислоти в хімічно чистої дистильованої води з процентною концентрацією по 30% при повній зарядці. Чистий кислота має щільність 1,835 г / см³, електроліт - близько 1,300 г / см³. Коли акумулятор розряджається, в ньому відбуваються електрохімічні реакції, в результаті яких з електроліту відбирається сірчана кислота. Щільність від концентрації розчину залежить практично пропорційно, тому вона повинна зменшуватися внаслідок зниження концентрації електроліту.

До тих пір, поки струм розряду протікає через акумулятор, кислота поблизу його електродів активно використовується, і електроліт стає все більш розведеним. Дифузія кислоти з обсягу всього електроліту і до електродним пластинам підтримує приблизно постійну інтенсивність хімічних реакцій і, як наслідок, вихідна напруга.

На початку процесу розряду дифузія кислоти з електроліту в пластини відбувається швидко тому, що утворюється при цьому сульфат ще не забив пори в активному матеріалі електродів. Коли сульфат починає формуватися і заповнювати пори електродів, дифузія відбувається більш повільно.

Теоретично можна продовжити розряд до тих пір, поки всі кислота не буде використана, і електроліт буде складатися з чистої води. Однак досвід показує, що розряди не повинні тривати після того, як щільність електроліту впала до 1,150 г / см³.

Коли щільність падає від 1,300 до 1,150, це означає, що стільки сульфату було сформовано в процесі реакцій, і він заповнює всі пори в активних матеріалах на пластинах, т. Е. З розчину вже відібрана майже вся сірчана кислота. Щільність від концентрації залежить пропорційно, і точно так само від щільності залежить заряд акумулятора. На рис. нижче показана залежність заряду акумулятора від щільності електроліту.

Зміна щільності електроліту є найкращим засобом визначення стану розряду акумулятора, за умови, що він використовується належним чином.

Ступеня розряду автомобільного акумулятора в залежності від щільності електроліту

Щільність його повинна вимірюватися кожні два тижні і постійно повинна вестися запис свідчень для використання в майбутньому.

Чим щільніше електроліт, тим більше кислоти він містить, і тим більше заряджений акумулятор. Щільність в 1,300-1,280 г / см³ вказує на повний заряд. Як правило, розрізняють такі ступеня розряду акумулятора в залежності від щільності електроліту:

1,300-1,280 - повністю заряджені:
1,280-1,200 - більш ніж наполовину розряджений;
1,200-1,150 - заряджений менш ніж наполовину;
1,150 - практично розряджений.

У повністю зарядженого акумулятора перед підключенням його автомобільної мережі напруга кожного осередку становить від 2,5 до 2,7 В. Як тільки підключається навантаження, напруга швидко падає приблизно до 2,1 В протягом трьох або чотирьох хвилин. Це відбувається через формування тонкого шару сульфату свинцю на поверхні негативних електродних пластин і між шаром перекису свинцю і металом позитивних пластин. Остаточне значення напруги осередку після підключення до автомобільної мережі становить близько 2,15-2,18 вольт.

Коли струм починає протікати через акумулятор протягом першої години роботи, відбувається падіння напруги до 2 В, що пояснюється зростанням внутрішнього опору осередків через формування більшої кількості сульфату, який заповнює пори пластин, і відбору кислоти з електроліту. Незадовго до початку перебігу струму щільність електроліту максимальна і дорівнює 1,300 г / см³. Спочатку його розрідження відбувається швидко, але потім встановлюється збалансоване стан між щільністю кислоти поблизу пластин і в основному обсязі електроліту, відбір кислоти електродами підтримується надходженням нових частин кислоти від основної частини електроліту. При цьому середня щільність електроліту продовжує неухильно зменшуватися по залежності, показаної на рис. вище. Після первісного падіння напруга зменшується повільніше, швидкість його зниження залежить від навантаження акумулятора. Часовий графік процесу розряду показаний на рис. нижче.

Контроль стану електроліту в акумуляторі

Для визначення щільності використовується ареометр. Він складається з невеликої запаяної скляної трубки з розширенням на нижньому кінці, заповненим дробом або ртуттю, і градуйованою шкалою на верхньому кінці. Ця шкала позначена від 1,100 до 1,300 з різними проміжними значеннями, як показано на рис. нижче. Якщо цей ареометр поміщається в електроліт, то він буде опускатися до певної глибини. При цьому він буде витісняти певний обсяг електроліту, і коли буде досягнуто рівноважний стан, вага витісненого об`єму просто буде дорівнює вазі ареометра. Оскільки щільність електроліту дорівнює відношенню його ваги до об`єму, а вага ареометра відомий, то кожен рівень його занурення в розчин відповідає певній його щільності. Деякі ареометри не мають шкали зі значеннями щільності, але помічені надписами: «Заряджений», «Половинний розряд», «Повний розряд» або їм подібними.