Zriedená a koncentrovaná kyselina sírová sú také dôležité chemikálie, že ich svet produkuje viac ako akejkoľvek inej látky. Ekonomické bohatstvo krajiny možno merať množstvom kyseliny sírovej, ktorú produkuje.
Proces disociácie
Kyselina sírová sa používa vo forme vodných roztokov rôznych koncentrácií. Prechádza disociačnou reakciou v dvoch krokoch, pričom vznikajú ióny H+ v roztoku.
H2SO4 =H+ + HSO4 -;
HSO4- =H + + SO4 -2.
Kyselina sírová je silná a prvý stupeň jej disociácie je taký intenzívny, že takmer všetky pôvodné molekuly sa rozložia na H+-ióny a HSO 4-1 iónov (hydrosulfát) v roztoku. Ten sa čiastočne ďalej rozkladá, pričom sa uvoľňuje ďalší H+-ión a zostáva síranový ión (SO4-2) v roztoku. Stále však prevláda hydrogensíran, ktorý je slabou kyselinou.v roztoku nad H+ a SO4-2. K jeho úplnej disociácii dôjde až vtedy, keď sa hustota roztoku kyseliny sírovej priblíži hustote vody, teda pri silnom zriedení.
Vlastnosti kyseliny sírovej
Je špeciálny tým, že môže pôsobiť ako bežná kyselina alebo ako silné oxidačné činidlo v závislosti od jeho teploty a koncentrácie. Studený zriedený roztok kyseliny sírovej reaguje s aktívnymi kovmi za vzniku soli (síranu) a uvoľňuje plynný vodík. Napríklad reakcia medzi studeným zriedeným H2SO4 (za predpokladu jeho úplnej dvojstupňovej disociácie) a kovovým zinkom vyzerá takto:
Zn + H2SO4 = ZnSO4+ H2.
Horúca koncentrovaná kyselina sírová, s hustotou asi 1,8 g/cm3, môže pôsobiť ako oxidačné činidlo, reaguje s materiálmi, ktoré sú normálne inertné voči kyselinám, ako napr. ako kovová meď. Počas reakcie sa meď oxiduje a hmotnosť kyseliny klesá, namiesto vodíka sa vytvára roztok síranu meďnatého vo vode a plynný oxid siričitý (SO2). čo by sa dalo očakávať, keď kyselina reaguje s kovom.
Cu + 2H2SO4 =CuSO4 + SO 2 + 2H2 O.
Ako sa všeobecne vyjadruje koncentrácia roztokov
V skutočnosti môže byť koncentrácia akéhokoľvek roztoku vyjadrená rôznymi spôsobmispôsobmi, ale najpoužívanejšou hmotnostnou koncentráciou. Ukazuje počet gramov rozpustenej látky v danej hmotnosti alebo objeme roztoku alebo rozpúšťadla (zvyčajne 1000 g, 1000 cm3, 100 cm3 a 1 dm 3). Namiesto hmotnosti látky v gramoch môžete použiť jej množstvo vyjadrené v móloch – potom získate molárnu koncentráciu na 1000 g alebo 1 dm3 roztok.
Ak molárna koncentrácia nie je definovaná vo vzťahu k množstvu roztoku, ale iba k rozpúšťadlu, potom sa nazýva molalita roztoku. Vyznačuje sa nezávislosťou od teploty.
Často sa hmotnostná koncentrácia uvádza v gramoch na 100 g rozpúšťadla. Ak toto číslo vynásobíte 100 %, dostanete ho v hmotnostných percentách (percentuálna koncentrácia). Práve táto metóda sa najčastejšie používa pri aplikácii na roztoky kyseliny sírovej.
Každá hodnota koncentrácie roztoku určená pri danej teplote zodpovedá jeho veľmi špecifickej hustote (napríklad hustote roztoku kyseliny sírovej). Preto sa niekedy riešenie vyznačuje práve ním. Napríklad roztok H2SO4, charakterizovaný percentuálnou koncentráciou 95,72 %, má hustotu 1,835 g/cm 3 pri t=20 °С. Ako určiť koncentráciu takéhoto roztoku, ak je uvedená iba hustota kyseliny sírovej? Tabuľka poskytujúca takúto korešpondenciu je neoddeliteľnou súčasťou každej učebnice všeobecnej alebo analytickej chémie.
Príklad konverzie koncentrácie
Skúsme prejsť od jedného spôsobu vyjadrenia koncentrácieriešenie na iné. Predpokladajme, že máme roztok H2SO4 vo vode s percentuálnou koncentráciou 60 %. Najprv určíme zodpovedajúcu hustotu kyseliny sírovej. Tabuľka obsahujúca percentuálne koncentrácie (prvý stĺpec) a ich zodpovedajúce hustoty vodného roztoku H2SO4 (štvrtý stĺpec) je uvedená nižšie.
Z toho určíme požadovanú hodnotu, ktorá sa rovná 1,4987 g/cm3. Vypočítajme teraz molaritu tohto roztoku. Na tento účel je potrebné určiť hmotnosť H2SO4 v 1 litri roztoku a zodpovedajúci počet mólov kyseliny.
Objem zaberaný 100 g zásobného roztoku:
100 / 1, 4987=66,7 ml.
Keďže 66,7 mililitrov 60% roztoku obsahuje 60 g kyseliny, 1 liter z toho bude obsahovať:
(60/66, 7) x 1000=899,55
Molárna hmotnosť kyseliny sírovej je 98. Počet mólov obsiahnutých v 899,55 g jej gramov bude teda:
899, 55/98=9,18 mol.
Závislosť hustoty kyseliny sírovej od koncentrácie je znázornená na obr. nižšie.
Používanie kyseliny sírovej
Aplikuje sa v rôznych priemyselných odvetviach. Pri výrobe železa a ocele sa používa na čistenie povrchu kovu pred jeho potiahnutím inou látkou, podieľa sa na tvorbe syntetických farbív, ale aj iných druhov kyselín, ako je chlorovodíková a dusičná. Ona tiežpoužíva sa pri výrobe liečiv, hnojív a výbušnín a je tiež dôležitým činidlom pri odstraňovaní nečistôt z ropy v priemysle rafinácie ropy.
Táto chemikália je neuveriteľne užitočná v domácnosti a je ľahko dostupná ako roztok kyseliny sírovej používaný v olovených batériách (ako sú tie, ktoré sa nachádzajú v autách). Takáto kyselina má zvyčajne koncentráciu približne 30 % až 35 % hmotnostných H2SO 4, pričom zvyšok tvorí voda.
V prípade mnohých domácich aplikácií bude 30 % H2SO4 viac než postačujúce na splnenie vašich potrieb. Priemysel však vyžaduje aj oveľa vyššiu koncentráciu kyseliny sírovej. Zvyčajne sa počas výrobného procesu najskôr ukáže, že je dosť zriedený a kontaminovaný organickými nečistotami. Koncentrovaná kyselina sa získava v dvoch stupňoch: najprv sa upraví na 70% a potom - v druhom stupni - sa zvýši na 96-98%, čo je limit pre ekonomicky životaschopnú výrobu.
Hustota kyseliny sírovej a jej stupne
Hoci takmer 99 % kyseliny sírovej možno krátkodobo získať varom, následná strata SO3 pri bode varu znižuje koncentráciu na 98,3 %. Vo všeobecnosti je 98% odroda stabilnejšia pri skladovaní.
Komerčné druhy kyselín sa líšia svojou percentuálnou koncentráciou a pre ne sa vyberajú hodnoty, pri ktorých sú kryštalizačné teploty minimálne. Toto sa robí na zníženie zrážania kryštálov kyseliny sírovej.sediment počas prepravy a skladovania. Hlavné odrody sú:
- Veža (dusík) – 75 %. Hustota kyseliny sírovej tejto triedy je 1670 kg/m3. Získajte to tzv. nitrózna metóda, pri ktorej sa pražiaci plyn získaný pri pražení primárnych surovín, obsahujúci oxid siričitý SO2, v obložených vežiach (odtiaľ názov odrody) upravuje dusíkom (tento je tiež H2 SO4, ale s rozpustenými oxidmi dusíka). V dôsledku toho sa uvoľňujú kyslé a dusíkové oxidy, ktoré sa pri procese nespotrebujú, ale vrátia sa späť do výrobného cyklu.
- Kontakt – 92, 5-98, 0 %. Hustota 98% kyseliny sírovej tejto kvality je 1836,5 kg/m3. Získava sa tiež z pražiaceho plynu obsahujúceho SO2 a proces zahŕňa oxidáciu oxidu na anhydrid SO3 , keď príde do kontaktu (preto názov odrody) s niekoľkými vrstvami pevného vanádiového katalyzátora.
- Oleum – 104,5 %. Jeho hustota je 1896,8 kg/m3. Toto je riešenie SO3 v H2SO4, v ktorom prvá zložka obsahuje 20 %, a kyseliny – presne 104,5 %.
- Vysoké percento olea – 114,6 %. Jeho hustota je 2002 kg/m3.
- Batéria – 92 – 94 %.
Ako funguje autobatéria
Prevádzka tohto jedného z najmasívnejších elektrických zariadení je úplne založená na elektrochemických procesoch prebiehajúcich v prítomnosti vodného roztoku kyseliny sírovej.
Autobatéria obsahuje zriedený elektrolyt kyseliny sírovej akladné a záporné elektródy vo forme niekoľkých dosiek. Pozitívne platne sú vyrobené z červenohnedého materiálu - oxidu olovnatého (PbO2) a negatívne platne sú vyrobené zo sivastého "hubovitého" olova (Pb).
Pretože elektródy sú vyrobené z olova alebo materiálu obsahujúceho olovo, tento typ batérie sa často označuje ako olovená batéria. Jeho výkon, t. j. veľkosť výstupného napätia, je priamo určená hustotou prúdu kyseliny sírovej (kg/m3 alebo g/cm3) naplnenej do batérie ako elektrolyt.
Čo sa stane s elektrolytom, keď sa batéria vybije
Elektrolyt olovenej batérie je roztok kyseliny sírovej z batérie v chemicky čistej destilovanej vode s koncentráciou 30 % pri plnom nabití. Čistá kyselina má hustotu 1,835 g/cm3, elektrolyt je asi 1,300 g/cm3. Pri vybití batérie v nej prebiehajú elektrochemické reakcie, v dôsledku ktorých sa z elektrolytu odoberá kyselina sírová. Hustota koncentrácie roztoku závisí takmer proporcionálne, takže by mala klesať v dôsledku poklesu koncentrácie elektrolytu.
Pokiaľ batériou preteká vybíjací prúd, kyselina v blízkosti jej elektród sa aktívne používa a elektrolyt sa čoraz viac riedi. Difúzia kyseliny z objemu celého elektrolytu a do elektród elektród udržiava približne konštantnú intenzitu chemických reakcií a v dôsledku toho aj výstupnapätie.
Na začiatku procesu vybíjania dochádza k rýchlej difúzii kyseliny z elektrolytu do platní, pretože výsledný síran ešte neupchal póry v aktívnom materiáli elektród. Keď sa síran začne vytvárať a vypĺňať póry elektród, difúzia prebieha pomalšie.
Teoreticky môžete pokračovať vo vybíjaní, kým sa nespotrebuje všetka kyselina a elektrolyt bude čistá voda. Skúsenosti však ukazujú, že výboje by nemali pokračovať, keď hustota elektrolytu klesla na 1,150 g/cm3.
Keď hustota klesne z 1 300 na 1 150, znamená to, že počas reakcií sa vytvorilo toľko síranu, ktorý vyplní všetky póry v aktívnych materiáloch na platniach, t.j. takmer všetku kyselinu sírovú. Hustota závisí úmerne od koncentrácie a rovnako aj nabitie batérie závisí od hustoty. Na obr. Závislosť nabitia batérie od hustoty elektrolytu je uvedená nižšie.
Zmena hustoty elektrolytu je najlepším prostriedkom na určenie stavu vybitia batérie za predpokladu, že sa používa správne.
Stupne vybitia autobatérie v závislosti od hustoty elektrolytu
Jeho hustota by sa mala merať každé dva týždne a namerané hodnoty by sa mali nepretržite zaznamenávať pre budúce použitie.
Čím je elektrolyt hustejší, tým viac kyseliny obsahuje a tým viac je batéria nabitá. Hustota v 1 300 – 1 280 g/cm3indikuje plné nabitie. V závislosti od hustoty elektrolytu sa spravidla rozlišujú nasledujúce stupne vybitia batérie:
- 1, 300-1, 280 – plne nabité:
- 1, 280-1, 200 – viac ako poloprázdne;
- 1, 200-1, 150 – menej ako polovica plná;
- 1, 150 – takmer prázdne.
Plne nabitá batéria má napätie 2,5 až 2,7 V na článok predtým, ako sa pripojí k sieti automobilu. Hneď ako sa pripojí záťaž, napätie rýchlo klesne na približne 2,1 V v priebehu troch alebo štyroch minút. Je to spôsobené tvorbou tenkej vrstvy síranu olovnatého na povrchu dosiek zápornej elektródy a medzi vrstvou peroxidu olova a kovom kladných dosiek. Konečná hodnota napätia článku po pripojení do siete auta je asi 2,15-2,18 voltov.
Keď počas prvej hodiny prevádzky začne batériou pretekať prúd, dôjde k poklesu napätia na 2 V, v dôsledku zvýšenia vnútorného odporu článkov v dôsledku tvorby väčšieho množstva síranu, ktorý naplní póry platní a odstránenie kyseliny z elektrolytu. Krátko pred začiatkom toku prúdu je hustota elektrolytu maximálna a rovná sa 1 300 g/cm3. Najprv rýchlo dôjde k jeho zriedeniu, potom sa však nastolí rovnovážny stav medzi hustotou kyseliny v blízkosti platní a v hlavnom objeme elektrolytu, odstraňovanie kyseliny elektródami je podporované prísunom nových častí elektrolytu. kyseliny z hlavnej časti elektrolytu. V tomto prípade priemerná hustota elektrolytuneustále klesá podľa závislosti znázornenej na obr. vyššie. Po počiatočnom poklese napätie klesá pomalšie, rýchlosť poklesu závisí od zaťaženia batérie. Časový graf procesu vybíjania je znázornený na obr. nižšie.
Monitorovanie stavu elektrolytu v batérii
Na určenie hustoty sa používa hustomer. Pozostáva z malej zatavenej sklenenej trubice s expanziou na spodnom konci naplnenou brokom alebo ortuťou a stupnicou na hornom konci. Táto stupnica je označená od 1 100 do 1 300 s rôznymi hodnotami medzi nimi, ako je znázornené na obr. nižšie. Ak sa tento hustomer vloží do elektrolytu, klesne do určitej hĺbky. Pri tom vytlačí určitý objem elektrolytu a keď sa dosiahne rovnovážna poloha, hmotnosť vytlačeného objemu sa bude jednoducho rovnať hmotnosti hustomera. Keďže hustota elektrolytu sa rovná pomeru jeho hmotnosti k objemu a hmotnosť hustomera je známa, každá úroveň jeho ponorenia do roztoku zodpovedá určitej hustote.
Niektoré hustomery nemajú stupnicu s hodnotami hustoty, ale sú označené nápisom: "Nabité", "Polovičné vybitie", "Úplné vybitie" alebo podobne.
