Разредената и концентрирана сярна киселина са толкова важни химикали, че светът произвежда повече от тях от всяко друго вещество. Икономическото богатство на една страна може да се измери с количеството сярна киселина, която произвежда.
Процес на дисоциация
Сярната киселина се използва под формата на водни разтвори с различни концентрации. Претърпява реакция на дисоциация в две стъпки, произвеждайки H+ йони в разтвор.
H2SO4 =H+ + HSO4 -;
HSO4- =H + + SO4 -2.
Сярната киселина е силна и първият етап от нейната дисоциация е толкова интензивен, че почти всички оригинални молекули се разлагат на H+-йони и HSO 4-1 -йони (хидросулфат) в разтвор. Последните частично се разпадат допълнително, освобождавайки още един H+-йон и оставяйки сулфатен йон (SO4-2) в разтвор. Въпреки това, водородният сулфат, като слаба киселина, все още преобладава.в разтвор над H+ и SO4-2. Пълната му дисоциация настъпва само когато плътността на разтвора на сярна киселина се доближи до плътността на водата, тоест при силно разреждане.
Свойства на сярната киселина
Той е специален с това, че може да действа като нормална киселина или като силен окислител, в зависимост от неговата температура и концентрация. Студен разреден разтвор на сярна киселина реагира с активни метали, за да образува сол (сулфат) и отделя водороден газ. Например, реакцията между студено разреден H2SO4 (приемайки пълната му двустепенна дисоциация) и метален цинк изглежда така:
Zn + H2SO4 = ZnSO4+ H2.
Гореща концентрирана сярна киселина, с плътност от около 1,8 g/cm3, може да действа като окислител, реагирайки с материали, които обикновено са инертни към киселини, като напр. като метална мед. По време на реакцията медта се окислява и масата на киселината намалява, образува се разтвор на меден (II) сулфат във вода и газообразен серен диоксид (SO2) вместо водород, което би се очаквало, когато киселината реагира с метал.
Cu + 2H2SO4 =CuSO4 + SO 2 + 2H2 O.
Как обикновено се изразява концентрацията на разтворите
Всъщност концентрацията на всеки разтвор може да бъде изразена в различниначини, но най-широко използваната тегловна концентрация. Той показва броя на грамовете разтворено вещество в дадена маса или обем на разтвор или разтворител (обикновено 1000 g, 1000 cm3, 100 cm3 и 1 dm 3). Вместо масата на веществото в грамове, можете да вземете неговото количество, изразено в молове - тогава получавате моларната концентрация на 1000 g или 1 dm3 разтвор.
Ако моларната концентрация е определена по отношение не на количеството на разтвора, а само на разтворителя, тогава тя се нарича молалност на разтвора. Характеризира се с независимост от температурата.
Често тегловната концентрация е посочена в грамове на 100 g разтворител. Умножавайки тази цифра по 100%, ще я получите в тегловни проценти (процентна концентрация). Именно този метод се използва най-често при приложение към разтвори на сярна киселина.
Всяка стойност на концентрацията на разтвор, определена при дадена температура, съответства на нейната много специфична плътност (например, плътността на разтвор на сярна киселина). Следователно, понякога решението се характеризира именно с него. Например, разтвор на H2SO4, характеризиращ се с процентна концентрация от 95,72%, има плътност от 1,835 g/cm 3 при t=20 °С. Как да определим концентрацията на такъв разтвор, ако е дадена само плътността на сярната киселина? Таблица, даваща такава кореспонденция, е неразделна част от всеки учебник по обща или аналитична химия.
Пример за преобразуване на концентрация
Нека се опитаме да преминем от един начин за изразяване на концентрациярешение на друго. Да предположим, че имаме разтвор на H2SO4 във вода с процентна концентрация от 60%. Първо, ние определяме съответната плътност на сярната киселина. Таблица, съдържаща процентни концентрации (първа колона) и съответните им плътности на воден разтвор на H2SO4 (четвърта колона) е показана по-долу.
От него определяме желаната стойност, която е равна на 1, 4987 g/cm3. Нека сега изчислим моларността на този разтвор. За да направите това, е необходимо да се определи масата на H2SO4 в 1 литър разтвор и съответния брой молове киселина.
Обем, зает от 100 g изходен разтвор:
100 / 1, 4987=66,7 ml.
Тъй като 66,7 милилитра от 60% разтвор съдържат 60 g киселина, 1 литър от нея ще съдържа:
(60 / 66, 7) x 1000=899,55
Моларното тегло на сярната киселина е 98. Следователно броят на моловете, съдържащи се в 899,55 g от нейните грамове, ще бъде:
899, 55 / 98=9, 18 mol.
Зависимостта на плътността на сярната киселина от концентрацията е показана на фиг. по-долу.
Използване на сярна киселина
Прилага се в различни индустрии. При производството на желязо и стомана се използва за почистване на повърхността на метала, преди да бъде покрит с друго вещество, участва в създаването на синтетични багрила, както и други видове киселини, като солна и азотна. Тя същоизползва се в производството на фармацевтични продукти, торове и експлозиви, а също така е важен реагент при отстраняването на примесите от петрола в нефтопреработващата промишленост.
Този химикал е невероятно полезен в дома и е лесно достъпен като разтвор на сярна киселина, използван в оловно-киселинни батерии (като тези в автомобилите). Такава киселина обикновено има концентрация от около 30% до 35% H2SO 4 по тегло, като останалата част е вода.
За много домашни приложения 30% H2SO4 ще бъде повече от достатъчно, за да отговори на вашите нужди. Промишлеността обаче изисква и много по-висока концентрация на сярна киселина. Обикновено по време на производствения процес той първо се оказва доста разреден и замърсен с органични примеси. Концентрираната киселина се получава на два етапа: първо се довежда до 70%, а след това - на втория етап - се повишава до 96-98%, което е границата за икономически жизнеспособно производство.
Плътност на сярната киселина и нейните степени
Въпреки че почти 99% сярна киселина може да се получи за кратко чрез кипене, последващата загуба на SO3 при точката на кипене намалява концентрацията до 98,3%. Като цяло разнообразието от 98% е по-стабилно при съхранение.
Търговските марки киселина се различават по нейната процентна концентрация и за тях се избират онези стойности, при които температурите на кристализация са минимални. Това се прави, за да се намали утаяването на кристали сярна киселина.утайка по време на транспортиране и съхранение. Основните разновидности са:
- Кула (азот) - 75%. Плътността на сярната киселина от този клас е 1670 kg/m3. Вземете го т.нар. азотен метод, при който газът за печене, получен при печенето на първични суровини, съдържащ серен диоксид SO2, в облицовани кули (оттук и името на сорта) се третира с азот (това е също H2 SO4, но с разтворени в него азотни оксиди). В резултат на това се отделят киселини и азотни оксиди, които не се консумират в процеса, а се връщат в производствения цикъл.
- Контакт - 92, 5-98, 0%. Плътността на 98% сярна киселина от този клас е 1836,5 kg/m3. Получава се също от газ за печене, съдържащ SO2, като процесът включва окисляване на диоксида до анхидрид SO3 , когато влезе в контакт (следователно името на сорта) с няколко слоя твърд ванадиев катализатор.
- Oleum - 104,5%. Плътността му е 1896,8 kg/m3. Това е решение на SO3 в H2SO4, в което първият компонент съдържа 20 %, а киселини - точно 104,5%.
- Висок процент олеум - 114,6%. Плътността му е 2002 kg/m3.
- Батерия - 92-94%.
Как работи акумулаторът на автомобил
Работата на това едно от най-масивните електрически устройства се основава изцяло на електрохимични процеси, протичащи в присъствието на воден разтвор на сярна киселина.
Акумулаторът на автомобила съдържа разреден електролит на сярна киселина иположителни и отрицателни електроди под формата на няколко пластини. Положителните плочи са изработени от червеникаво-кафяв материал - оловен диоксид (PbO2), а отрицателните са направени от сивкаво "гъбесто" олово (Pb).
Тъй като електродите са направени от олово или олово-съдържащ материал, този тип батерии често се наричат оловно-киселинни. Неговата производителност, т.е. величината на изходното напрежение, се определя директно от плътността на тока на сярната киселина (kg/m3 или g/cm3), напълнена в батерията като електролит.
Какво се случва с електролита, когато батерията е разредена
Електролитът на оловно-киселинната батерия е разтвор на сярна киселина на акумулатора в химически чиста дестилирана вода при концентрация от 30% при пълно зареждане. Чистата киселина има плътност от 1,835 g/cm3, електролитът е около 1,300 g/cm3. При разреждане на батерията в нея протичат електрохимични реакции, в резултат на които от електролита се взема сярна киселина. Плътността на концентрацията на разтвора зависи почти пропорционално, така че трябва да намалее поради намаляване на концентрацията на електролита.
Докато разрядният ток протича през батерията, киселината близо до нейните електроди се използва активно и електролитът става все по-разреден. Дифузията на киселина от обема на целия електролит и към електродните плочи поддържа приблизително постоянен интензитет на химичните реакции и в резултат на това изходътнапрежение.
В началото на процеса на разреждане дифузията на киселина от електролита в плочите става бързо, тъй като полученият сулфат все още не е запушил порите в активния материал на електродите. Тъй като сулфатът започва да се образува и запълва порите на електродите, дифузията става по-бавно.
Теоретично можете да продължите разреждането, докато се изчерпи цялата киселина и електролитът е чиста вода. Опитът обаче показва, че изхвърлянията не трябва да продължат след като плътността на електролита спадне до 1,150 g/cm3.
Когато плътността спадне от 1300 на 1150, това означава, че по време на реакциите се е образувало толкова много сулфат и той запълва всички пори в активните материали на плочите, т.е. почти цялата сярна киселина. Плътността зависи от концентрацията пропорционално и по същия начин зарядът на батерията зависи от плътността. На фиг. Зависимостта на заряда на батерията от плътността на електролита е показана по-долу.
Промяната на плътността на електролита е най-доброто средство за определяне на състоянието на разреждане на батерията, при условие че се използва правилно.
Степени на разреждане на автомобилен акумулатор в зависимост от плътността на електролита
Неговата плътност трябва да се измерва на всеки две седмици и показанията трябва да се записват непрекъснато за бъдещи справки.
Колкото по-плътен е електролитът, толкова повече киселина съдържа и толкова по-заредена е батерията. Плътност в 1.300-1.280 g/cm3показва пълно зареждане. Като правило се разграничават следните степени на разреждане на батерията в зависимост от плътността на електролита:
- 1, 300-1, 280 - напълно заредено:
- 1, 280-1, 200 - повече от наполовина празен;
- 1, 200-1, 150 - по-малко от половината;
- 1, 150 - почти празно.
Напълно заредената батерия има напрежение от 2,5 до 2,7 волта на клетка, преди да бъде свързана към електрическата мрежа на автомобила. Веднага след като се включи товар, напрежението бързо пада до около 2,1 волта в рамките на три или четири минути. Това се дължи на образуването на тънък слой оловен сулфат върху повърхността на плочите с отрицателни електроди и между слоя от оловен пероксид и метала на положителните пластини. Крайната стойност на напрежението на клетката след свързване към автомобилната мрежа е около 2,15-2,18 волта.
Когато токът започне да тече през батерията през първия час на работа, има спад на напрежението до 2 V, поради увеличаване на вътрешното съпротивление на клетките поради образуването на повече сулфат, който запълва порите на плочите и отстраняването на киселината от електролита. Малко преди началото на протичането на тока, плътността на електролита е максимална и е равна на 1.300 g/cm3. Първоначално разреждането му става бързо, но след това се установява балансирано състояние между плътността на киселината в близост до плочите и в основния обем на електролита, отстраняването на киселината от електродите се подпомага от подаването на нови части на киселина от основната част на електролита. В този случай средната плътност на електролитапродължава постоянно да намалява според зависимостта, показана на фиг. по-висок. След първоначалния спад напрежението намалява по-бавно, скоростта на намаляване зависи от натоварването на батерията. Времевата графика на процеса на разреждане е показана на фиг. по-долу.
Наблюдение на състоянието на електролита в батерията
Ареометър се използва за определяне на плътността. Състои се от малка херметична стъклена тръба с разширение в долния край, изпълнена със сачма или живак, и градуирана скала в горния край. Тази скала е обозначена от 1.100 до 1.300 с различни стойности между тях, както е показано на фиг. По-долу. Ако този ареометър се постави в електролит, той ще потъне до определена дълбочина. При това той ще измести определен обем електролит и когато се достигне равновесно положение, теглото на изместения обем просто ще бъде равно на теглото на хидрометъра. Тъй като плътността на електролита е равна на съотношението на теглото му към обема и теглото на хидрометъра е известно, всяко ниво на неговото потапяне в разтвора съответства на определена плътност.
Някои ареометри нямат скала със стойности на плътността, но са маркирани с надписи: "Зареден", "Половин разряд", "Пълен разряд" или подобни.
