Asid sulfurik cair dan pekat adalah bahan kimia penting yang dunia menghasilkan lebih banyak daripada bahan lain. Kekayaan ekonomi sesebuah negara boleh diukur dengan jumlah asid sulfurik yang dihasilkannya.
Proses pemisahan
Asid sulfurik digunakan dalam bentuk larutan akueus pelbagai kepekatan. Ia mengalami tindak balas pemisahan dalam dua langkah, menghasilkan ion H+ dalam larutan.
H2SO4 =H+ + HSO4 -;
HSO4- =H + + SO4 -2.
Asid sulfurik adalah kuat, dan peringkat pertama pemisahannya adalah sangat sengit sehingga hampir semua molekul asal terurai menjadi H+-ion dan HSO 4-1 -ion (hidrosulfat) dalam larutan. Yang terakhir sebahagiannya mereput lagi, melepaskan satu lagi H+-ion dan meninggalkan ion sulfat (SO4-2) dalam larutan. Walau bagaimanapun, hidrogen sulfat, sebagai asid lemah, masih berlaku.dalam larutan di atas H+ dan SO4-2. Penceraian lengkapnya berlaku hanya apabila ketumpatan larutan asid sulfurik menghampiri ketumpatan air, iaitu dengan pencairan kuat.
Sifat asid sulfurik
Ia istimewa kerana ia boleh bertindak sebagai asid biasa atau sebagai agen pengoksidaan yang kuat, bergantung pada suhu dan kepekatannya. Larutan asid sulfurik cair sejuk bertindak balas dengan logam aktif untuk membentuk garam (sulfat) dan membebaskan gas hidrogen. Sebagai contoh, tindak balas antara cair sejuk H2SO4 (dengan mengandaikan pemisahan dua peringkat sepenuhnya) dan zink logam kelihatan seperti ini:
Zn + H2SO4 = ZnSO4+ H2.
Asid sulfurik pekat panas, dengan ketumpatan kira-kira 1.8 g/cm3, boleh bertindak sebagai agen pengoksidaan, bertindak balas dengan bahan yang biasanya lengai kepada asid, seperti seperti tembaga logam. Semasa tindak balas, kuprum teroksida, dan jisim asid berkurangan, larutan kuprum (II) sulfat dalam air dan sulfur dioksida gas (SO2) dan bukannya hidrogen terbentuk, yang dijangkakan apabila asid bertindak balas dengan logam.
Cu + 2H2SO4 =CuSO4 + SO 2 + 2J2 O.
Bagaimanakah kepekatan larutan secara umumnya dinyatakan
Sebenarnya, kepekatan sebarang penyelesaian boleh dinyatakan dalam berbezacara, tetapi kepekatan berat yang paling banyak digunakan. Ia menunjukkan bilangan gram zat terlarut dalam jisim atau isipadu larutan atau pelarut tertentu (biasanya 1000 g, 1000 cm3, 100 cm3 dan 1 dm 3). Daripada jisim bahan dalam gram, anda boleh mengambil jumlahnya yang dinyatakan dalam mol - kemudian anda mendapat kepekatan molar setiap 1000 g atau 1 dm3 penyelesaian.
Jika kepekatan molar ditakrifkan bukan berkaitan dengan jumlah larutan, tetapi hanya dengan pelarut, maka ia dipanggil kemolaran larutan. Ia dicirikan oleh kebebasan daripada suhu.
Selalunya, kepekatan berat ditunjukkan dalam gram setiap 100 g pelarut. Mendarabkan angka ini sebanyak 100%, anda mendapatnya dalam peratus berat (peratusan kepekatan). Kaedah inilah yang paling kerap digunakan dalam aplikasi pada larutan asid sulfurik.
Setiap nilai kepekatan larutan yang ditentukan pada suhu tertentu sepadan dengan ketumpatan sangat spesifiknya (contohnya, ketumpatan larutan asid sulfurik). Oleh itu, kadang-kadang penyelesaian dicirikan dengan tepat olehnya. Sebagai contoh, larutan H2SO4, dicirikan oleh peratusan kepekatan 95.72%, mempunyai ketumpatan 1.835 g/cm 3 pada t=20 °С. Bagaimana untuk menentukan kepekatan larutan sedemikian, jika hanya ketumpatan asid sulfurik diberikan? Jadual yang memberikan surat-menyurat sedemikian adalah bahagian penting mana-mana buku teks tentang kimia am atau analitik.
Contoh penukaran kepekatan
Mari kita cuba beralih daripada satu cara untuk menyatakan tumpuanpenyelesaian kepada yang lain. Katakan kita mempunyai larutan H2SO4 dalam air dengan peratusan kepekatan 60%. Pertama, kita menentukan ketumpatan asid sulfurik yang sepadan. Jadual yang mengandungi peratusan kepekatan (lajur pertama) dan ketumpatan sepadan larutan akueus H2SO4 (lajur keempat) ditunjukkan di bawah.
Daripadanya kita tentukan nilai yang diingini, iaitu bersamaan dengan 1, 4987 g/cm3. Mari kita sekarang mengira kemolaran penyelesaian ini. Untuk melakukan ini, adalah perlu untuk menentukan jisim H2SO4 dalam 1 liter larutan dan bilangan mol asid yang sepadan.
Volume yang diduduki oleh 100 g larutan stok:
100 / 1, 4987=66.7 ml.
Memandangkan 66.7 mililiter larutan 60% mengandungi 60 g asid, 1 liter daripadanya akan mengandungi:
(60 / 66, 7) x 1000=899.55
Berat molar asid sulfurik ialah 98. Oleh itu, bilangan mol yang terkandung dalam 899.55 gram gramnya ialah:
899, 55 / 98=9, 18 mol.
Pergantungan ketumpatan asid sulfurik pada kepekatan ditunjukkan dalam rajah. di bawah.
Menggunakan asid sulfurik
Ia digunakan dalam pelbagai industri. Dalam pengeluaran besi dan keluli, ia digunakan untuk membersihkan permukaan logam sebelum ia disalut dengan bahan lain, ia terlibat dalam penciptaan pewarna sintetik, serta jenis asid lain, seperti hidroklorik dan nitrik. Dia jugaia digunakan dalam pengeluaran farmaseutikal, baja dan bahan letupan, dan juga merupakan reagen penting dalam penyingkiran kekotoran daripada minyak dalam industri penapisan minyak.
Bahan kimia ini sangat berguna di rumah, dan tersedia sebagai larutan asid sulfurik yang digunakan dalam bateri asid plumbum (seperti yang terdapat dalam kereta). Asid sedemikian biasanya mempunyai kepekatan kira-kira 30% hingga 35% H2SO 4 mengikut berat, dengan selebihnya adalah air.
Untuk kebanyakan aplikasi rumah, 30% H2SO4 akan lebih daripada mencukupi untuk memenuhi keperluan anda. Walau bagaimanapun, industri juga memerlukan kepekatan asid sulfurik yang lebih tinggi. Biasanya, semasa proses pengeluaran, ia mula-mula ternyata agak cair dan tercemar dengan kekotoran organik. Asid pekat diperoleh dalam dua peringkat: pertama ia dibawa kepada 70%, dan kemudian - pada peringkat kedua - ia dinaikkan kepada 96-98%, yang merupakan had untuk pengeluaran yang berdaya maju dari segi ekonomi.
Ketumpatan asid sulfurik dan grednya
Walaupun hampir 99% asid sulfurik boleh diperolehi secara ringkas dengan mendidih, kehilangan seterusnya SO3 pada takat didih mengurangkan kepekatan kepada 98.3%. Secara umum, varieti 98% lebih stabil dalam storan.
Gred komersial asid berbeza dalam peratusan kepekatannya, dan bagi mereka nilai tersebut dipilih di mana suhu penghabluran adalah minimum. Ini dilakukan untuk mengurangkan pemendakan hablur asid sulfurik.sedimen semasa pengangkutan dan penyimpanan. Varieti utama ialah:
- Menara (nitrous) - 75%. Ketumpatan asid sulfurik gred ini ialah 1670 kg/m3. Dapatkan ia kononnya. kaedah nitrus, di mana gas pemanggangan yang diperoleh semasa pemanggangan bahan mentah utama, yang mengandungi sulfur dioksida SO2, dalam menara berbaris (maka nama varieti itu) dirawat dengan nitrus (ini juga H2 SO4, tetapi dengan nitrogen oksida terlarut di dalamnya). Akibatnya, asid dan nitrogen oksida dibebaskan, yang tidak digunakan dalam proses, tetapi dikembalikan kepada kitaran pengeluaran.
- Kenalan - 92, 5-98, 0%. Ketumpatan 98% asid sulfurik gred ini ialah 1836.5 kg/m3. Ia juga diperoleh daripada gas pemanggangan yang mengandungi SO2, dan proses itu termasuk pengoksidaan dioksida kepada anhidrida SO3 apabila ia bersentuhan (oleh itu nama varieti) dengan beberapa lapisan pemangkin vanadium pepejal.
- Oleum - 104.5%. Ketumpatannya ialah 1896.8 kg/m3. Ini ialah penyelesaian SO3 dalam H2SO4, di mana komponen pertama mengandungi 20 % dan asid - tepat 104.5%.
- Peratusan oleum tinggi - 114.6%. Ketumpatannya ialah 2002 kg/m3.
- Bateri - 92-94%.
Cara bateri kereta berfungsi
Pengendalian peranti elektrik yang paling besar ini sepenuhnya berdasarkan proses elektrokimia yang berlaku dengan kehadiran larutan akueus asid sulfurik.
Bateri kereta mengandungi elektrolit asid sulfurik cair danelektrod positif dan negatif dalam bentuk beberapa plat. Plat positif diperbuat daripada bahan berwarna perang kemerahan - plumbum dioksida (PbO2), dan plat negatif diperbuat daripada plumbum "spongy" berwarna kelabu (Pb).
Oleh kerana elektrod diperbuat daripada plumbum atau bahan yang mengandungi plumbum, bateri jenis ini sering dirujuk sebagai bateri asid plumbum. Prestasinya, iaitu, magnitud voltan keluaran, ditentukan secara langsung oleh ketumpatan semasa asid sulfurik (kg/m3 atau g/cm3) yang diisi ke dalam bateri sebagai elektrolit.
Apa yang berlaku kepada elektrolit apabila bateri dinyahcas
Elektrolit bateri asid plumbum ialah larutan asid sulfurik bateri dalam air suling tulen secara kimia pada kepekatan 30% apabila dicas penuh. Asid tulen mempunyai ketumpatan 1.835 g/cm3, elektrolit adalah kira-kira 1.300 g/cm3. Apabila bateri dinyahcas, tindak balas elektrokimia berlaku di dalamnya, akibatnya asid sulfurik diambil daripada elektrolit. Ketumpatan kepekatan larutan bergantung hampir secara berkadar, jadi ia sepatutnya berkurangan disebabkan oleh penurunan kepekatan elektrolit.
Selagi arus nyahcas mengalir melalui bateri, asid berhampiran elektrodnya digunakan secara aktif, dan elektrolit menjadi semakin cair. Resapan asid daripada isipadu keseluruhan elektrolit dan ke plat elektrod mengekalkan keamatan tindak balas kimia yang kira-kira malar dan, akibatnya, keluaranvoltan.
Pada permulaan proses nyahcas, resapan asid daripada elektrolit ke dalam plat berlaku dengan cepat kerana sulfat yang terhasil belum lagi menyumbat liang dalam bahan aktif elektrod. Apabila sulfat mula membentuk dan mengisi liang elektrod, resapan berlaku dengan lebih perlahan.
Secara teorinya, anda boleh meneruskan pelepasan sehingga semua asid habis dan elektrolit adalah air tulen. Walau bagaimanapun, pengalaman menunjukkan bahawa pelepasan tidak boleh diteruskan selepas ketumpatan elektrolit telah menurun kepada 1.150 g/cm3.
Apabila ketumpatan turun daripada 1, 300 kepada 1, 150, ini bermakna bahawa banyak sulfat telah terbentuk semasa tindak balas, dan ia memenuhi semua liang dalam bahan aktif pada plat, iaitu hampir semua asid sulfurik. Ketumpatan bergantung pada kepekatan secara berkadar, dan dengan cara yang sama cas bateri bergantung pada ketumpatan. Pada rajah. Kebergantungan cas bateri pada ketumpatan elektrolit ditunjukkan di bawah.
Menukar ketumpatan elektrolit ialah cara terbaik untuk menentukan keadaan nyahcas bateri, dengan syarat ia digunakan dengan betul.
Tahap nyahcas bateri kereta bergantung pada ketumpatan elektrolit
Ketumpatannya hendaklah diukur setiap dua minggu dan bacaannya hendaklah direkodkan secara berterusan untuk rujukan masa hadapan.
Lebih tumpat elektrolit, lebih banyak asid yang terkandung di dalamnya, dan lebih banyak pengecasan bateri. Ketumpatan dalam 1.300-1.280g/cm3menunjukkan cas penuh. Sebagai peraturan, tahap pelepasan bateri berikut dibezakan bergantung pada ketumpatan elektrolit:
- 1, 300-1, 280 - dicas penuh:
- 1, 280-1, 200 - lebih daripada separuh kosong;
- 1, 200-1, 150 - kurang daripada separuh penuh;
- 1, 150 - hampir kosong.
Bateri yang dicas penuh mempunyai voltan 2.5 hingga 2.7 volt setiap sel sebelum disambungkan ke sesalur kuasa keretanya. Sebaik sahaja beban disambungkan, voltan turun dengan pantas kepada kira-kira 2.1 volt dalam masa tiga atau empat minit. Ini disebabkan oleh pembentukan lapisan nipis plumbum sulfat pada permukaan plat elektrod negatif dan di antara lapisan plumbum peroksida dan logam plat positif. Nilai akhir voltan sel selepas menyambung ke rangkaian kereta ialah kira-kira 2.15-2.18 volt.
Apabila arus mula mengalir melalui bateri semasa jam pertama operasi, terdapat penurunan voltan kepada 2 V, disebabkan oleh peningkatan dalam rintangan dalaman sel akibat pembentukan lebih banyak sulfat, yang mengisi liang-liang plat, dan penyingkiran asid daripada elektrolit. Sejurus sebelum permulaan aliran arus, ketumpatan elektrolit adalah maksimum dan sama dengan 1, 300 g/cm3. Pada mulanya, jarang berlaku dengan cepat, tetapi kemudian keadaan seimbang ditubuhkan antara ketumpatan asid berhampiran plat dan dalam isipadu utama elektrolit, penyingkiran asid oleh elektrod disokong oleh bekalan bahagian baru asid daripada bahagian utama elektrolit. Dalam kes ini, ketumpatan purata elektrolitterus menurun secara berterusan mengikut pergantungan yang ditunjukkan dalam Rajah. lebih tinggi. Selepas penurunan awal, voltan berkurangan dengan lebih perlahan, kadar penurunan bergantung pada beban pada bateri. Graf masa proses nyahcas ditunjukkan dalam rajah. di bawah.
Memantau keadaan elektrolit dalam bateri
Hidrometer digunakan untuk menentukan ketumpatan. Ia terdiri daripada tiub kaca tertutup kecil dengan pengembangan di hujung bawah yang diisi dengan pukulan atau merkuri dan skala bergraduat di hujung atas. Skala ini dilabelkan dari 1.100 hingga 1.300 dengan pelbagai nilai di antaranya, seperti yang ditunjukkan dalam Rajah. di bawah. Jika hidrometer ini diletakkan dalam elektrolit, ia akan tenggelam ke kedalaman tertentu. Dengan berbuat demikian, ia akan menyesarkan isipadu elektrolit tertentu, dan apabila kedudukan keseimbangan dicapai, berat isipadu yang disesarkan hanya akan sama dengan berat hidrometer. Memandangkan ketumpatan elektrolit adalah sama dengan nisbah beratnya kepada isipadu, dan berat hidrometer diketahui, setiap tahap rendamannya dalam larutan sepadan dengan ketumpatan tertentu.
Sesetengah hidrometer tidak mempunyai skala dengan nilai ketumpatan, tetapi ditandakan dengan tulisan: "Dicas", "Separuh nyahcas", "Nyahcas penuh" atau yang serupa.
