L'àcid sulfúric diluït i concentrat són productes químics tan importants que el món en produeix més que qualsevol altra substància. La riquesa econòmica d'un país es pot mesurar per la quantitat d'àcid sulfúric que produeix.
Procés de dissociació
L'àcid sulfúric s'utilitza en forma de solucions aquoses de diverses concentracions. Se sotmet a una reacció de dissociació en dos passos, produint ions H+ en solució.
H2SO4 =H+ + HSO4 -;
HSO4- =H + + SO4 -2.
L'àcid sulfúric és fort i la primera etapa de la seva dissociació és tan intensa que gairebé totes les molècules originals es descomponen en H+-ions i HSO 4-1 -ions (hidrosulfat) en solució. Aquest últim es desintegra encara més, alliberant un altre ió H+- i deixant un ió sulfat (SO4-2) en solució. No obstant això, el sulfat d'hidrogen, en ser un àcid feble, encara preval.en solució sobre H+ i SO4-2. La seva dissociació completa només es produeix quan la densitat de la solució d'àcid sulfúric s'aproxima a la densitat de l'aigua, és a dir, amb una forta dilució.
Propietats de l'àcid sulfúric
És especial perquè pot actuar com a àcid normal o com a agent oxidant fort, segons la seva temperatura i concentració. Una solució diluïda en fred d'àcid sulfúric reacciona amb metalls actius per formar una sal (sulfat) i alliberar hidrogen gasós. Per exemple, la reacció entre H2SO4 (suposant la seva completa dissociació en dues etapes) i el zinc metàl·lic té aquest aspecte:
Zn + H2SO4 = ZnSO4+ H2.
L'àcid sulfúric concentrat en calent, amb una densitat d'uns 1,8 g/cm3, pot actuar com a agent oxidant, reaccionant amb materials que normalment són inerts als àcids, com ara com el coure metàl·lic. Durant la reacció, el coure s'oxida i la massa de l'àcid disminueix, es forma una solució de sulfat de coure (II) en aigua i diòxid de sofre gasós (SO2) en lloc d'hidrogen, que s'esperaria quan l'àcid reacciona amb el metall.
Cu + 2H2SO4 =CuSO4 + SO 2 + 2H2 O.
Com s'expressa generalment la concentració de solucions
En realitat, la concentració de qualsevol solució es pot expressar de manera diferentmaneres, però la concentració de pes més utilitzada. Mostra el nombre de grams d'un solut en una massa o volum determinats d'una solució o dissolvent (normalment 1000 g, 1000 cm3, 100 cm3 i 1 dm 3). En lloc de la massa d'una substància en grams, podeu prendre la seva quantitat expressada en mols; aleshores obteniu la concentració molar per 1000 g o 1 dm3 solució.
Si la concentració molar es defineix no en relació amb la quantitat de la solució, sinó només amb el dissolvent, llavors s'anomena molalitat de la solució. Es caracteritza per la independència de la temperatura.
Sovint, la concentració en pes s'indica en grams per 100 g de dissolvent. Multiplicant aquesta xifra pel 100%, s'obté en percentatge en pes (concentració percentual). Aquest mètode és el que s'utilitza més sovint en l'aplicació a solucions d'àcid sulfúric.
Cada valor de la concentració d'una solució determinat a una temperatura determinada correspon a la seva densitat molt específica (per exemple, la densitat d'una solució d'àcid sulfúric). Per tant, de vegades la solució es caracteritza precisament per ella. Per exemple, una solució de H2SO4, caracteritzada per una concentració percentual del 95,72%, té una densitat d'1,835 g/cm 3 a t=20 °С. Com determinar la concentració d'aquesta solució, si només es dóna la densitat de l'àcid sulfúric? Una taula que ofereix aquesta correspondència és una part integral de qualsevol llibre de text de química general o analítica.
Exemple de conversió de concentració
Intentem passar d'una manera d'expressar la concentraciósolució a una altra. Suposem que tenim una solució de H2SO4 en aigua amb una concentració percentual del 60%. En primer lloc, determinem la densitat corresponent de l'àcid sulfúric. A continuació es mostra una taula que conté les concentracions percentuals (primera columna) i les seves densitats corresponents d'una solució aquosa de H2SO4 (quarta columna).
A partir d'ell determinem el valor desitjat, que és igual a 1, 4987 g/cm3. Calculem ara la molaritat d'aquesta solució. Per fer-ho, cal determinar la massa de H2SO4 en 1 litre de solució i el nombre corresponent de mols d'àcid.
Volum ocupat per 100 g de solució d'estoc:
100/1, 4987=66,7 ml.
Com que 66,7 mil·lilitres d'una solució al 60% contenen 60 g d'àcid, 1 litre d'aquest contindrà:
(60/66, 7) x 1000=899,55
El pes molar de l'àcid sulfúric és 98. Per tant, el nombre de mols continguts en 899,55 g dels seus grams serà:
899, 55/98=9, 18 mol.
La dependència de la densitat de l'àcid sulfúric de la concentració es mostra a la fig. a continuació.
Utilitzar àcid sulfúric
S'aplica en diverses indústries. En la producció de ferro i acer, s'utilitza per netejar la superfície del metall abans de ser recobert amb una altra substància, participa en la creació de colorants sintètics, així com altres tipus d'àcids, com el clorhídric i el nítric. Ella tambés'utilitza en la producció de productes farmacèutics, fertilitzants i explosius, i també és un reactiu important per a l'eliminació d'impureses del petroli a la indústria de la refinació del petroli.
Aquest producte químic és increïblement útil a la llar i està disponible com a solució d'àcid sulfúric que s'utilitza en bateries de plom-àcid (com les que es troben als cotxes). Aquest àcid normalment té una concentració d'entre un 30% i un 35% H2SO 4 en pes, i la resta és aigua.
Per a moltes aplicacions domèstiques, un 30% H2SO4 serà més que suficient per satisfer les vostres necessitats. Tanmateix, la indústria també requereix una concentració molt més alta d'àcid sulfúric. En general, durant el procés de producció, primer resulta força diluït i contaminat amb impureses orgàniques. L'àcid concentrat s'obté en dues etapes: primer s'aconsegueix al 70%, i després, en la segona etapa, s'eleva al 96-98%, que és el límit per a una producció econòmicament viable.
Densitat de l'àcid sulfúric i els seus graus
Tot i que gairebé el 99% d'àcid sulfúric es pot obtenir breument bullint, la pèrdua posterior de SO3 al punt d'ebullició redueix la concentració al 98,3%. En general, la varietat del 98% és més estable a l'emmagatzematge.
Els graus comercials d'àcid difereixen en la seva concentració percentual, i per a ells es trien aquells valors en què les temperatures de cristal·lització són mínimes. Això es fa per reduir la precipitació de cristalls d'àcid sulfúric.sediment durant el transport i l'emmagatzematge. Les varietats principals són:
- Torre (nitros) - 75%. La densitat de l'àcid sulfúric d'aquest grau és de 1670 kg/m3. Aconsegueix-ho així. mètode nitrós, en el qual el gas de torrat obtingut durant la torrat de matèries primeres primàries, que conté diòxid de sofre SO2, en torres revestides (d'aquí el nom de la varietat) es tracta amb nitrós (aquest també és H2 SO4, però amb òxids de nitrogen dissolts). Com a resultat, s'alliberen àcids i òxids de nitrogen, que no es consumeixen en el procés, sinó que tornen al cicle de producció.
- Contacte - 92, 5-98, 0%. La densitat de l'àcid sulfúric al 98% d'aquest grau és de 1836,5 kg/m3. També s'obté del gas de torrat que conté SO2, i el procés inclou l'oxidació del diòxid a anhídrid SO3 quan entra en contacte (per tant el nom de la varietat) amb diverses capes de catalitzador de vanadi sòlid.
- Oleum - 104,5%. La seva densitat és de 1896,8 kg/m3. Aquesta és una solució de SO3 a H2SO4, en què el primer component conté 20 % i àcids - exactament 104,5%.
- Percentatge alt d'oleum - 114,6%. La seva densitat és de 2002 kg/m3.
- Bateria: 92-94%.
Com funciona la bateria d'un cotxe
El funcionament d'aquest dels dispositius elèctrics més massius es basa completament en processos electroquímics que es produeixen en presència d'una solució aquosa d'àcid sulfúric.
La bateria del cotxe conté electròlit d'àcid sulfúric diluït ielèctrodes positius i negatius en forma de diverses plaques. Les plaques positives estan fetes d'un material marró vermellós: diòxid de plom (PbO2), i les plaques negatives estan fetes de plom "esponjós" grisenc (Pb).
Com que els elèctrodes estan fets de plom o material que conté plom, aquest tipus de bateries sovint s'anomena bateria de plom-àcid. El seu rendiment, és a dir, la magnitud de la tensió de sortida, es determina directament per la densitat de corrent de l'àcid sulfúric (kg/m3 o g/cm3) omplert a la bateria com a electròlit.
Què li passa a l'electròlit quan es descarrega la bateria
L'electròlit de la bateria de plom-àcid és una solució d'àcid sulfúric de la bateria en aigua destil·lada químicament pura a una concentració del 30% quan està completament carregada. Un àcid pur té una densitat d'1,835 g/cm3, un electròlit és d'uns 1,300 g/cm3. Quan la bateria es descarrega, hi tenen lloc reaccions electroquímiques, com a resultat de les quals s'extreu àcid sulfúric de l'electròlit. La densitat de la concentració de la solució depèn gairebé proporcionalment, de manera que hauria de disminuir a causa d'una disminució de la concentració d'electròlits.
Mentre el corrent de descàrrega flueixi a través de la bateria, l'àcid proper als seus elèctrodes s'utilitza activament i l'electròlit es dilueix cada cop més. La difusió de l'àcid des del volum de tot l'electròlit i a les plaques d'elèctrodes manté una intensitat aproximadament constant de les reaccions químiques i, com a resultat, la sortida.tensió.
Al començament del procés de descàrrega, la difusió de l'àcid de l'electròlit a les plaques es produeix ràpidament perquè el sulfat resultant encara no ha obstruït els porus del material actiu dels elèctrodes. A mesura que el sulfat comença a formar-se i omplir els porus dels elèctrodes, la difusió es produeix més lentament.
Teòricament, podeu continuar la descàrrega fins que s'esgoti tot l'àcid i l'electròlit sigui aigua pura. Tanmateix, l'experiència demostra que les descàrregues no haurien de continuar després que la densitat de l'electròlit hagi baixat a 1,150 g/cm3.
Quan la densitat baixa d'1.300 a 1.150, això significa que es va formar tant sulfat durant les reaccions i que omple tots els porus dels materials actius de les plaques, és a dir, gairebé tot l'àcid sulfúric. La densitat depèn de la concentració proporcionalment, i de la mateixa manera la càrrega de la bateria depèn de la densitat. A la fig. A continuació es mostra la dependència de la càrrega de la bateria de la densitat d'electròlits.
Canviar la densitat de l'electròlit és el millor mitjà per determinar l'estat de descàrrega d'una bateria, sempre que s'utilitzi correctament.
Graus de descàrrega de la bateria d'un cotxe en funció de la densitat de l'electròlit
La seva densitat s'ha de mesurar cada dues setmanes i les lectures s'han d'enregistrar contínuament per a referència futura.
Com més dens sigui l'electròlit, més àcid conté i més carregada serà la bateria. Densitat en 1.300-1.280 g/cm3indica la càrrega completa. Com a regla general, es distingeixen els següents graus de descàrrega de la bateria en funció de la densitat de l'electròlit:
- 1, 300-1, 280 - completament carregat:
- 1, 280-1, 200 - més de la meitat buit;
- 1, 200-1, 150 - menys de la meitat plena;
- 1, 150 - gairebé buit.
Una bateria completament carregada té un voltatge de 2,5 a 2,7 volts per cel·la abans de connectar-se a la xarxa elèctrica del seu cotxe. Tan bon punt es connecta una càrrega, la tensió baixa ràpidament a uns 2,1 volts en tres o quatre minuts. Això es deu a la formació d'una fina capa de sulfat de plom a la superfície de les plaques d'elèctrode negatives i entre la capa de peròxid de plom i el metall de les plaques positives. El valor final de la tensió de la cel·la després de connectar-se a la xarxa del cotxe és d'uns 2,15-2,18 volts.
Quan el corrent comença a fluir per la bateria durant la primera hora de funcionament, hi ha una caiguda de tensió fins a 2 V, a causa d'un augment de la resistència interna de les cèl·lules a causa de la formació de més sulfat, que s'omple. els porus de les plaques, i l'eliminació de l'àcid de l'electròlit. Poc abans de l'inici del flux de corrent, la densitat de l'electròlit és màxima i igual a 1.300 g/cm3. Al principi, la seva rarefacció es produeix ràpidament, però després s'estableix un estat equilibrat entre la densitat de l'àcid prop de les plaques i en el volum principal de l'electròlit, l'eliminació de l'àcid pels elèctrodes es recolza en el subministrament de noves parts de l'electròlit. àcid de la part principal de l'electròlit. En aquest cas, la densitat mitjana de l'electròlitcontinua disminuint constantment segons la dependència que es mostra a la figura. més alt. Després de la caiguda inicial, la tensió disminueix més lentament, la velocitat de disminució depèn de la càrrega de la bateria. El gràfic de temps del procés de descàrrega es mostra a la fig. a continuació.
Control de l'estat de l'electròlit a la bateria
S'utilitza un hidròmetre per determinar la densitat. Consisteix en un petit tub de vidre segellat amb una expansió a l'extrem inferior ple de granalla o mercuri i una escala graduada a l'extrem superior. Aquesta escala s'etiqueta d'1.100 a 1.300 amb diversos valors entremig, tal com es mostra a la Fig. baix. Si aquest hidròmetre es col·loca en un electròlit, s'enfonsarà a una certa profunditat. En fer-ho, desplaçarà un cert volum d'electròlit i, quan s'arribi a una posició d'equilibri, el pes del volum desplaçat serà simplement igual al pes de l'hidròmetre. Com que la densitat de l'electròlit és igual a la relació entre el seu pes i el volum, i el pes del hidròmetre es coneix, cada nivell de la seva immersió a la solució correspon a una densitat determinada.
Alguns hidròmetres no tenen escala amb valors de densitat, però estan marcats amb les inscripcions: "Càrrega", "Mitja descàrrega", "Descàrrega total" o similar.
