Razredčena in koncentrirana žveplova kislina sta tako pomembne kemikalije, da jih svet proizvede več kot katera koli druga snov. Gospodarsko bogastvo države je mogoče izmeriti s količino žveplove kisline, ki jo proizvede.
Proces ločitve
Žveplova kislina se uporablja v obliki vodnih raztopin različnih koncentracij. V dveh korakih pride do disociacijske reakcije, pri čemer nastanejo ioni H+ v raztopini.
H2SO4 =H+ + HSO4 -;
HSO4- =H + + SO4 -2.
Žveplova kislina je močna in prva stopnja njene disociacije je tako intenzivna, da se skoraj vse prvotne molekule razgradijo na H+-ione in HSO 4-1 -ioni (hidrosulfat) v raztopini. Slednji delno razpadejo naprej, pri čemer se sprosti še en H+-ion in ostane sulfatni ion (SO4-2) v raztopini. Vendar vodikov sulfat, ki je šibka kislina, še vedno prevladuje.v raztopini preko H+ in SO4-2. Do njegove popolne disociacije pride šele, ko se gostota raztopine žveplove kisline približa gostoti vode, to je pri močnem razredčenju.
Lastnosti žveplove kisline
Posebna je po tem, da lahko deluje kot običajna kislina ali kot močan oksidant, odvisno od temperature in koncentracije. Hladna razredčena raztopina žveplove kisline reagira z aktivnimi kovinami, da tvori sol (sulfat) in sprošča vodikov plin. Na primer, reakcija med hladno razredčenim H2SO4 (ob predpostavki njegove popolne dvostopenjske disociacije) in kovinskim cinkom izgleda takole:
Zn + H2SO4 = ZnSO4+ H2.
Vroča koncentrirana žveplova kislina z gostoto približno 1,8 g/cm3 lahko deluje kot oksidant in reagira z materiali, ki so običajno inertni na kisline, kot je npr. kot kovinski baker. Med reakcijo se baker oksidira in masa kisline se zmanjša, namesto vodika nastane raztopina bakrovega (II) sulfata v vodi in plinastega žveplovega dioksida (SO2), kar bi pričakovali, ko kislina reagira s kovino.
Cu + 2H2SO4 =CuSO4 + SO 2 + 2H2 O.
Kako je na splošno izražena koncentracija raztopin
Pravzaprav lahko koncentracijo katere koli raztopine izrazimo v različnihnačinov, vendar najbolj razširjena koncentracija teže. Kaže število gramov topljenca v dani masi ali prostornini raztopine ali topila (običajno 1000 g, 1000 cm3, 100 cm3 in 1 dm 3). Namesto mase snovi v gramih lahko vzamete njeno količino, izraženo v molih - potem dobite molsko koncentracijo na 1000 g ali 1 dm3 raztopina.
Če molska koncentracija ni definirana glede na količino raztopine, ampak samo na topilo, se imenuje molalnost raztopine. Zanj je značilna neodvisnost od temperature.
Pogosto je utežna koncentracija navedena v gramih na 100 g topila. Če to številko pomnožite s 100%, jo dobite v utežnih odstotkih (odstotna koncentracija). Ta metoda se najpogosteje uporablja pri raztopinah žveplove kisline.
Vsaka vrednost koncentracije raztopine, določena pri določeni temperaturi, ustreza njeni zelo specifični gostoti (na primer gostoti raztopine žveplove kisline). Zato je včasih rešitev značilna prav po njej. Na primer, raztopina H2SO4, za katero je značilna odstotna koncentracija 95,72%, ima gostoto 1,835 g/cm 3 pri t=20 °С. Kako določiti koncentracijo takšne raztopine, če je podana le gostota žveplove kisline? Tabela, ki daje takšno korespondenco, je sestavni del vsakega učbenika splošne ali analitične kemije.
Primer pretvorbe koncentracije
Poskusi se premakniti z enega načina izražanja koncentracijerešitev za drugo. Recimo, da imamo raztopino H2SO4 v vodi z odstotno koncentracijo 60%. Najprej določimo ustrezno gostoto žveplove kisline. Spodaj je prikazana tabela, ki vsebuje odstotne koncentracije (prvi stolpec) in njihove ustrezne gostote vodne raztopine H2SO4 (četrti stolpec).
Iz njega določimo želeno vrednost, ki je enaka 1, 4987 g/cm3. Izračunajmo zdaj molarnost te raztopine. Za to je potrebno določiti maso H2SO4 v 1 litru raztopina in ustrezno število molov kisline.
Prostornina, ki jo zaseda 100 g osnovne raztopine:
100 / 1, 4987=66,7 ml.
Ker 66,7 mililitrov 60% raztopine vsebuje 60 g kisline, bo 1 liter vseboval:
(60/66, 7) x 1000=899,55
Molarna teža žveplove kisline je 98. Torej bo število molov, ki jih vsebuje 899,55 g njenih gramov:
899, 55 / 98=9, 18 mol.
Odvisnost gostote žveplove kisline od koncentracije je prikazana na sl. spodaj.
Uporaba žveplove kisline
Uporablja se v različnih panogah. Pri proizvodnji železa in jekla se uporablja za čiščenje površine kovine, preden je premazana z drugo snovjo, sodeluje pri ustvarjanju sintetičnih barvil, pa tudi drugih vrst kislin, kot sta klorovodikova in dušikova. Ona tudiuporablja se v proizvodnji farmacevtskih izdelkov, gnojil in eksplozivov ter je tudi pomemben reagent pri odstranjevanju nečistoč iz nafte v industriji rafiniranja nafte.
Ta kemikalija je neverjetno uporabna doma in je na voljo kot raztopina žveplove kisline, ki se uporablja v svinčevih baterijah (kot tiste v avtomobilih). Takšna kislina ima običajno koncentracijo približno 30% do 35% H2SO 4 po masi, preostanek pa je voda.
Za številne domače aplikacije bo 30% H2SO4 več kot dovolj za vaše potrebe. Vendar pa industrija zahteva tudi veliko višjo koncentracijo žveplove kisline. Običajno se med proizvodnim procesom najprej izkaže, da je precej razredčen in onesnažen z organskimi nečistočami. Koncentrirano kislino pridobimo v dveh stopnjah: najprej jo dovedemo do 70 %, nato pa - v drugi stopnji - zvišamo na 96-98 %, kar je meja za ekonomsko upravičeno proizvodnjo.
Gostota žveplove kisline in njene stopnje
Čeprav je skoraj 99% žveplove kisline mogoče dobiti na kratko z vrenjem, kasnejša izguba SO3 pri vrelišču zmanjša koncentracijo na 98,3%. Na splošno je 98-odstotna sorta bolj stabilna pri shranjevanju.
Komercialne stopnje kisline se razlikujejo po odstotni koncentraciji in zanje so izbrane tiste vrednosti, pri katerih so temperature kristalizacije minimalne. To se naredi, da se zmanjša obarjanje kristalov žveplove kisline.usedline med transportom in skladiščenjem. Glavne sorte so:
- Stolp (dušikov) - 75%. Gostota žveplove kisline tega razreda je 1670 kg/m3. Dobite ga tako imenovanega. dušikova metoda, pri kateri žarilni plin, pridobljen med praženjem primarnih surovin, ki vsebuje žveplov dioksid SO2, v obloženih stolpih (od tod tudi ime sorte) obdelamo z dušikom (to je tudi H2 SO4, vendar z dušikovimi oksidi, raztopljenimi v njem). Posledično se sproščajo kisline in dušikovi oksidi, ki se v procesu ne porabijo, ampak se vrnejo v proizvodni cikel.
- Kontakt - 92, 5-98, 0%. Gostota 98% žveplove kisline tega razreda je 1836,5 kg/m3. Pridobiva se tudi iz plina za praženje, ki vsebuje SO2, postopek pa vključuje oksidacijo dioksida v anhidrid SO3 , ko pride v stik (zato ime sorte) z več plastmi trdnega vanadijevega katalizatorja.
- Oleum - 104,5%. Njegova gostota je 1896,8 kg/m3. To je rešitev SO3 v H2SO4, v kateri prva komponenta vsebuje 20 % in kisline - natančno 104,5%.
- Visok odstotek oleuma - 114,6%. Njegova gostota je 2002 kg/m3.
- Baterija - 92-94%.
Kako deluje avtomobilska baterija
Delovanje te ene najbolj masivnih električnih naprav v celoti temelji na elektrokemičnih procesih, ki potekajo v prisotnosti vodne raztopine žveplove kisline.
Akumulator avtomobila vsebuje razredčen elektrolit žveplove kisline inpozitivne in negativne elektrode v obliki več plošč. Pozitivne plošče so izdelane iz rdečkasto rjavega materiala - svinčevega dioksida (PbO2), negativne pa iz sivkastega "gobastega" svinca (Pb).
Ker so elektrode izdelane iz svinca ali materiala, ki vsebuje svinec, se ta tip baterije pogosto imenuje svinčeno-kislinska baterija. Njegovo delovanje, to je velikost izhodne napetosti, neposredno določa gostota toka žveplove kisline (kg/m3 ali g/cm3), napolnjene v baterijo kot elektrolit.
Kaj se zgodi z elektrolitom, ko je baterija izpraznjena
Elektrolit za svinčeno baterijo je raztopina žveplove kisline akumulatorja v kemično čisti destilirani vodi v koncentraciji 30 %, ko je popolnoma napolnjen. Čista kislina ima gostoto 1,835 g/cm3, elektrolit je približno 1,300 g/cm3. Ko se baterija izprazni, v njej potekajo elektrokemične reakcije, zaradi katerih se iz elektrolita vzame žveplova kislina. Gostota koncentracije raztopine je skoraj sorazmerno odvisna, zato bi se morala zmanjšati zaradi zmanjšanja koncentracije elektrolita.
Dokler tok praznjenja teče skozi baterijo, se kislina v bližini njenih elektrod aktivno uporablja in elektrolit postaja vedno bolj razredčen. Difuzija kisline iz volumna celotnega elektrolita in na elektrodne plošče ohranja približno konstantno intenzivnost kemičnih reakcij in posledično izhodnapetost.
Na začetku postopka praznjenja pride do hitre difuzije kisline iz elektrolita v plošče, ker nastali sulfat še ni zamašil por v aktivnem materialu elektrod. Ko se sulfat začne tvoriti in zapolnjevati pore elektrod, difuzija poteka počasneje.
Teoretično lahko nadaljujete z praznjenjem, dokler ni porabljena vsa kislina in je elektrolit čista voda. Vendar pa izkušnje kažejo, da se razelektritve ne smejo nadaljevati, ko gostota elektrolita pade na 1,150 g/cm3.
Ko gostota pade z 1.300 na 1.150, to pomeni, da je med reakcijami nastalo toliko sulfata, ki zapolni vse pore v aktivnih snoveh na ploščah, torej skoraj vso žveplovo kislino. Gostota je sorazmerno odvisna od koncentracije, prav tako pa je od gostote odvisno polnjenje baterije. Na sl. Odvisnost napolnjenosti baterije od gostote elektrolita je prikazana spodaj.
Spreminjanje gostote elektrolita je najboljši način za določanje stanja praznjenja baterije, če se pravilno uporablja.
Stopnje praznjenja avtomobilskega akumulatorja, odvisno od gostote elektrolita
Njegovo gostoto je treba izmeriti vsaka dva tedna, odčitke pa je treba nenehno beležiti za prihodnjo uporabo.
Gostejši kot je elektrolit, več kisline vsebuje in bolj napolnjena je baterija. Gostota v 1.300-1.280 g/cm3označuje polno napolnjenost. Praviloma se glede na gostoto elektrolita razlikujejo naslednje stopnje praznjenja baterije:
- 1, 300-1, 280 - popolnoma napolnjeno:
- 1, 280-1, 200 - več kot napol prazno;
- 1, 200-1, 150 - manj kot napol polno;
- 1, 150 - skoraj prazno.
Popolnoma napolnjena baterija ima napetost od 2,5 do 2,7 volta na celico, preden je priključena na električno omrežje. Takoj, ko je obremenitev priključena, napetost hitro pade na približno 2,1 volta v treh ali štirih minutah. To je posledica tvorbe tanke plasti svinčevega sulfata na površini plošč negativne elektrode in med plastjo svinčevega peroksida in kovino pozitivnih plošč. Končna vrednost napetosti celice po priključitvi na avtomobilsko omrežje je približno 2,15-2,18 voltov.
Ko začne tok teči skozi baterijo v prvi uri delovanja, pride do padca napetosti na 2 V, zaradi povečanja notranjega upora celic zaradi tvorbe več sulfata, ki napolni pore plošč in odstranitev kisline iz elektrolita. Malo pred začetkom toka je gostota elektrolita največja in enaka 1.300 g/cm3. Sprva se njegova redčenje zgodi hitro, nato pa se vzpostavi uravnoteženo stanje med gostoto kisline v bližini plošč in v glavnem volumnu elektrolita, odstranjevanje kisline z elektrodami je podprto z dovajanjem novih delov elektrolita. kisline iz glavnega dela elektrolita. V tem primeru je povprečna gostota elektrolitaše naprej vztrajno upada glede na odvisnost, prikazano na sl. višje. Po začetnem padcu napetost upada počasneje, stopnja padanja pa je odvisna od obremenitve baterije. Časovni graf procesa praznjenja je prikazan na sl. spodaj.
Spremljanje stanja elektrolita v bateriji
Za določanje gostote se uporablja hidrometer. Sestavljen je iz majhne zaprte steklene cevi z raztezkom na spodnjem koncu, napolnjene s šobo ali živim srebrom, in graduirano lestvico na zgornjem koncu. Ta lestvica je označena od 1.100 do 1.300 z različnimi vrednostmi vmes, kot je prikazano na sl. spodaj. Če je ta hidrometer nameščen v elektrolit, se bo pogreznil na določeno globino. Pri tem bo izrinila določeno prostornino elektrolita in ko bo dosežen ravnotežni položaj, bo teža premaknjenega volumna preprosto enaka teži hidrometra. Ker je gostota elektrolita enaka razmerju med njegovo težo in prostornino in je teža hidrometra znana, vsaka stopnja njegove potopitve v raztopino ustreza določeni gostoti.
Nekateri hidrometri nimajo lestvice z vrednostmi gostote, ampak so označeni z napisi: "Napolnjen", "Polovični izpust", "Popolni izpust" ali podobno.
