Atskiesta ir koncentruota sieros rūgštis yra tokios svarbios cheminės medžiagos, kad pasaulyje jų pagaminama daugiau nei bet kurios kitos medžiagos. Šalies ekonominį turtą galima išmatuoti pagal jos pagaminamos sieros rūgšties kiekį.
Atskyrimo procesas
Sieros rūgštis naudojama įvairių koncentracijų vandeninių tirpalų pavidalu. Jame vyksta disociacijos reakcija dviem etapais ir tirpale susidaro H+ jonų.
H2SO4 =H+ + HSO4 -;
HSO4- =H + + SO4 -2.
Sieros rūgštis yra stipri, o pirmasis jos disociacijos etapas yra toks intensyvus, kad beveik visos pradinės molekulės skyla į H+-jonus ir HSO 4-1 -jonai (hidrosulfatas) tirpale. Pastarieji iš dalies irsta toliau, išskirdami kitą H+-joną ir palikdami sulfato joną (SO4-2) tirpale. Tačiau vandenilio sulfatas, būdamas silpna rūgštis, vis tiek vyrauja.tirpale per H+ ir SO4-2. Visiška jo disociacija įvyksta tik tada, kai sieros rūgšties tirpalo tankis artėja prie vandens tankio, ty stipriai praskiedus.
Sieros rūgšties savybės
Jis ypatingas tuo, kad gali veikti kaip įprasta rūgštis arba kaip stiprus oksidatorius, priklausomai nuo temperatūros ir koncentracijos. Š altas praskiestas sieros rūgšties tirpalas reaguoja su aktyviais metalais, sudarydamas druską (sulfatą) ir išskiria vandenilio dujas. Pavyzdžiui, reakcija tarp š alto skiedžiamo H2SO4 (darant prielaidą, kad jis yra visiškai dviejų pakopų disociacijos) ir metalinio cinko atrodo taip:
Zn + H2SO4 = ZnSO4+ H2.
Karšta koncentruota sieros rūgštis, kurios tankis yra apie 1,8 g/cm3, gali veikti kaip oksidatorius, reaguodamas su medžiagomis, kurios paprastai yra inertiškos rūgštims, pvz. kaip metalinis varis. Reakcijos metu varis oksiduojasi, o rūgšties masė mažėja, vietoj vandenilio susidaro vario (II) sulfato tirpalas vandenyje ir dujinis sieros dioksidas (SO2), ko būtų galima tikėtis rūgštims reaguojant su metalu.
Cu + 2H2SO4 =CuSO4 + SO 2 + 2H2 O.
Kaip paprastai išreiškiama tirpalų koncentracija
Tiesą sakant, bet kurio tirpalo koncentracija gali būti išreikšta skirtingaibūdai, bet plačiausiai naudojama svorio koncentracija. Tai rodo ištirpusios medžiagos gramų skaičių tam tikroje tirpalo arba tirpiklio masėje arba tūryje (paprastai 1000 g, 1000 cm3, 100 cm3 ir 1 dm 3). Vietoj medžiagos masės gramais galite paimti jos kiekį, išreikštą moliais – tada gausite molinę koncentraciją 1000 g arba 1 dm3 tirpalas.
Jei molinė koncentracija apibrėžiama atsižvelgiant ne į tirpalo kiekį, o tik su tirpikliu, tada ji vadinama tirpalo molalumu. Jai būdinga nepriklausomybė nuo temperatūros.
Dažnai masės koncentracija nurodoma gramais 100 g tirpiklio. Padauginę šį skaičių iš 100%, gausite jį svorio procentais (koncentracijos procentais). Būtent šis metodas dažniausiai naudojamas sieros rūgšties tirpalams.
Kiekviena tirpalo koncentracijos vertė, nustatyta tam tikroje temperatūroje, atitinka labai specifinį jo tankį (pavyzdžiui, sieros rūgšties tirpalo tankį). Todėl kartais sprendimas pasižymi būtent juo. Pavyzdžiui, tirpalo H2SO4, kurio procentinė koncentracija yra 95,72%, tankis yra 1,835 g/cm 3 , kai t=20 °С. Kaip nustatyti tokio tirpalo koncentraciją, jei pateikiamas tik sieros rūgšties tankis? Lentelė, kurioje pateikiama tokia atitiktis, yra neatsiejama bet kurio bendrosios ar analitinės chemijos vadovėlio dalis.
Koncentracijos konversijos pavyzdys
Pabandykime pereiti nuo vieno koncentracijos išraiškos būdosprendimas kitam. Tarkime, kad turime H2SO4 tirpalą vandenyje, kurio procentinė koncentracija yra 60%. Pirmiausia nustatome atitinkamą sieros rūgšties tankį. Lentelė, kurioje pateikiamos H2SO4 (ketvirtas stulpelis) vandeninio tirpalo procentinės koncentracijos (pirmas stulpelis) ir jas atitinkami tankiai.
Iš jo nustatome norimą reikšmę, kuri lygi 1, 4987 g/cm3. Dabar apskaičiuokime šio tirpalo moliškumą. Norėdami tai padaryti, būtina nustatyti H2SO4 1 litre tirpalas ir atitinkamas rūgšties molių skaičius.
Tūris, kurį užima 100 g pradinio tirpalo:
100 / 1, 4987=66,7 ml.
Kadangi 66,7 mililitre 60 % tirpalo yra 60 g rūgšties, 1 litre jos bus:
(60 / 66, 7) x 1000=899,55
Sieros rūgšties molinė masė yra 98. Vadinasi, molių skaičius, esantis 899,55 g jos gramų, bus:
899, 55 / 98=9, 18 mol.
Sieros rūgšties tankio priklausomybė nuo koncentracijos parodyta fig. žemiau.
Sieros rūgšties naudojimas
Tai taikoma įvairiose pramonės šakose. Geležies ir plieno gamyboje jis naudojamas metalo paviršiui nuvalyti prieš jį padengiant kita medžiaga, dalyvauja kuriant sintetinius dažus, taip pat kitų rūšių rūgštis, pavyzdžiui, druskos ir azoto. Ji taip patnaudojamas vaistų, trąšų ir sprogmenų gamyboje, taip pat yra svarbus reagentas šalinant priemaišas iš naftos naftos perdirbimo pramonėje.
Ši cheminė medžiaga yra neįtikėtinai naudinga namuose ir yra lengvai prieinama kaip sieros rūgšties tirpalas, naudojamas švino rūgšties akumuliatoriuose (kaip ir automobiliuose). Tokios rūgšties koncentracija paprastai yra nuo 30 % iki 35 % H2SO 4 pagal svorį, o likusi dalis yra vanduo.
Daugeliui namų reikmenų 30 % H2SO4 bus daugiau nei pakankamai, kad atitiktų jūsų poreikius. Tačiau pramonė taip pat reikalauja daug didesnės sieros rūgšties koncentracijos. Paprastai gamybos procese jis pirmiausia pasirodo gana praskiestas ir užterštas organinėmis priemaišomis. Koncentruota rūgštis gaunama dviem etapais: pirmiausia padidinama iki 70%, o po to - antrajame etape - padidinama iki 96-98%, tai yra ekonomiškai perspektyvios gamybos riba.
Sieros rūgšties tankis ir jos rūšys
Nors beveik 99 % sieros rūgšties galima gauti trumpai verdant, vėlesnis SO3 praradimas virimo temperatūroje sumažina koncentraciją iki 98,3 %. Apskritai 98 % veislė yra stabilesnė sandėliuojant.
Komercinės rūgščių rūšys skiriasi procentine koncentracija, joms parenkamos tos vertės, kuriose kristalizacijos temperatūra yra minimali. Tai daroma siekiant sumažinti sieros rūgšties kristalų nusodinimą.nuosėdos transportavimo ir sandėliavimo metu. Pagrindinės veislės yra:
- Bokštas (azotinis) – 75 proc. Šios rūšies sieros rūgšties tankis yra 1670 kg/m3. Gauk tai taip vadinama. azoto metodas, kai skrudinimo dujos, gautos skrudinant pirmines žaliavas, turinčias sieros dioksido SO2, išklotuose bokštuose (iš čia ir veislės pavadinimas) apdorojamos azotu (tai taip pat yra H2 SO4, bet su jame ištirpusiais azoto oksidais). Dėl to išsiskiria rūgščių ir azoto oksidai, kurie procese nesunaudojami, o grąžinami į gamybos ciklą.
- Susisiekite - 92, 5-98, 0%. Šios rūšies 98% sieros rūgšties tankis yra 1836,5 kg/m3. Jis taip pat gaunamas iš skrudinimo dujų, turinčių SO2, o procesas apima dioksido oksidavimą iki anhidrido SO3 , kai jis liečiasi (taigi veislės pavadinimas) su keliais kieto vanadžio katalizatoriaus sluoksniais.
- Oleumas – 104,5 proc. Jo tankis yra 1896,8 kg/m3. Tai yra SO3 sprendimas H2SO4, kurio pirmame komponente yra 20 %, o rūgščių – lygiai 104,5 %.
- Didelis procentinis oleumas – 114,6%. Jo tankis yra 2002 kg/m3.
- Akumuliatorius – 92–94%.
Kaip veikia automobilio akumuliatorius
Šio vieno masyviausių elektros prietaisų veikimas visiškai pagrįstas elektrocheminiais procesais, vykstančiais vandeniniame sieros rūgšties tirpale.
Automobilio akumuliatoriuje yra praskiesto sieros rūgšties elektrolito irteigiami ir neigiami elektrodai kelių plokščių pavidalu. Teigiamos plokštės pagamintos iš rausvai rudos medžiagos – švino dioksido (PbO2), o neigiamos plokštės pagamintos iš pilkšvos „kempinės“švino (Pb).
Kadangi elektrodai pagaminti iš švino arba švino turinčios medžiagos, tokio tipo akumuliatoriai dažnai vadinami švino rūgšties akumuliatoriais. Jo veikimas, ty išėjimo įtampos dydis, tiesiogiai priklauso nuo sieros rūgšties srovės tankio (kg/m3 arba g/cm3), įpiltos į akumuliatorių kaip elektrolitą.
Kas nutinka elektrolitui, kai išsikrauna baterija
Švino rūgšties akumuliatoriaus elektrolitas yra visiškai įkrauto akumuliatoriaus sieros rūgšties tirpalas chemiškai gryname distiliuotame vandenyje, kurio koncentracija yra 30 %. Grynos rūgšties tankis yra 1,835 g/cm3, elektrolito tankis yra apie 1,300 g/cm3. Išsikrovus akumuliatoriui, joje vyksta elektrocheminės reakcijos, kurių pasekoje iš elektrolito paimama sieros rūgštis. Tirpalo koncentracijos tankis priklauso beveik proporcingai, todėl jis turėtų mažėti dėl elektrolito koncentracijos sumažėjimo.
Kol iškrovimo srovė teka per akumuliatorių, šalia jos elektrodų esanti rūgštis aktyviai naudojama, o elektrolitas vis labiau skiedžiasi. Rūgšties difuzija iš viso elektrolito tūrio ir į elektrodų plokštes palaiko maždaug pastovų cheminių reakcijų intensyvumą ir dėl to našumą.įtampa.
Iškrovimo proceso pradžioje rūgšties difuzija iš elektrolito į plokštes vyksta greitai, nes susidaręs sulfatas dar neužkimšo porų aktyvioje elektrodų medžiagoje. Kai sulfatai pradeda formuotis ir užpildo elektrodų poras, difuzija vyksta lėčiau.
Teoriškai iškrovimą galite tęsti tol, kol bus sunaudota visa rūgštis ir elektrolitas taps grynas vanduo. Tačiau patirtis rodo, kad elektrolito tankiui nukritus iki 1,150 g/cm, iškrovos neturėtų tęstis 3.
Kai tankis nukrenta nuo 1 300 iki 1 150, tai reiškia, kad vykstant reakcijoms susidarė tiek daug sulfato, kuris užpildo visas plokštelėse esančias aktyviųjų medžiagų poras, t. y. beveik visą sieros rūgštį. Tankis proporcingai priklauso nuo koncentracijos, lygiai taip pat nuo tankio priklauso ir akumuliatoriaus įkrova. Ant pav. Akumuliatoriaus įkrovos priklausomybė nuo elektrolito tankio parodyta žemiau.
Elektrolito tankio keitimas yra geriausias būdas nustatyti akumuliatoriaus išsikrovimo būseną, jei jis naudojamas tinkamai.
Automobilio akumuliatoriaus išsikrovimo laipsniai, priklausomai nuo elektrolito tankio
Jo tankis turėtų būti matuojamas kas dvi savaites, o rodmenys turi būti nuolat registruojami, kad būtų galima pasinaudoti ateityje.
Kuo tankesnis elektrolitas, tuo daugiau jame rūgšties ir tuo labiau įkrauta baterija. Tankis 1 300–1 280 g/cm3rodo pilną įkrovimą. Paprastai, atsižvelgiant į elektrolito tankį, išskiriami šie akumuliatoriaus išsikrovimo laipsniai:
- 1, 300-1, 280 – visiškai įkrauta:
- 1, 280-1, 200 – daugiau nei pusė tuščia;
- 1, 200-1, 150 – mažiau nei pusė pilna;
- 1, 150 – beveik tuščia.
Visiškai įkrauto akumuliatoriaus įtampa yra 2,5–2,7 volto viename elemente, prieš jį prijungiant prie automobilio elektros tinklo. Kai tik prijungiama apkrova, įtampa per tris ar keturias minutes greitai nukrenta iki maždaug 2,1 volto. Taip yra dėl to, kad ant neigiamo elektrodo plokščių paviršiaus ir tarp švino peroksido sluoksnio ir teigiamų plokščių metalo susidaro plonas švino sulfato sluoksnis. Galutinė elemento įtampos vertė prisijungus prie automobilio tinklo yra apie 2,15–2,18 voltų.
Kai srovė pradeda tekėti per akumuliatorių per pirmąją veikimo valandą, įtampa nukrenta iki 2 V, nes padidėja elementų vidinė varža dėl to, kad susidaro daugiau sulfatų, kurie užpildo plokštelių poras ir rūgšties pašalinimą iš elektrolito. Prieš pat srovės tekėjimo pradžią elektrolito tankis yra didžiausias ir lygus 1,300 g/cm3. Iš pradžių jos retėjimas įvyksta greitai, bet tada susidaro subalansuota būsena tarp rūgšties tankio šalia plokštelių ir pagrindiniame elektrolito tūryje, o rūgšties pašalinimas elektrodais palaikomas tiekiant naujas dalis rūgštis iš pagrindinės elektrolito dalies. Šiuo atveju vidutinis elektrolito tankistoliau nuolat mažėja pagal priklausomybę, parodytą Fig. aukštesnė. Po pradinio kritimo įtampa mažėja lėčiau, mažėjimo greitis priklauso nuo akumuliatoriaus apkrovos. Iškrovimo proceso laiko grafikas parodytas fig. žemiau.
Akumuliatoriaus elektrolito būsenos stebėjimas
Tankiui nustatyti naudojamas hidrometras. Jį sudaro mažas sandarus stiklinis vamzdelis, kurio apatiniame gale yra išsiplėtimas, užpildytas šratais arba gyvsidabriu, o viršutiniame gale yra graduota skalė. Ši skalė pažymėta nuo 1 100 iki 1 300 su įvairiomis reikšmėmis tarp jų, kaip parodyta Fig. žemiau. Jei šis hidrometras įdėtas į elektrolitą, jis nuskandins iki tam tikro gylio. Tai darydamas jis išstums tam tikrą elektrolito tūrį, o pasiekus pusiausvyros padėtį, išstumto tūrio svoris bus tiesiog lygus hidrometro svoriui. Kadangi elektrolito tankis yra lygus jo masės ir tūrio santykiui, o hidrometro masė yra žinoma, kiekvienas jo panardinimo į tirpalą lygis atitinka tam tikrą tankį.
Kai kurie hidrometrai neturi skalės su tankio reikšmėmis, bet yra pažymėti užrašais: „Įkrautas“, „Pusinis iškrovimas“, „Visas iškrovimas“ar panašiai.
