Το αραιό και το συμπυκνωμένο θειικό οξύ είναι τόσο σημαντικές χημικές ουσίες που ο κόσμος παράγει περισσότερα από αυτά από οποιαδήποτε άλλη ουσία. Ο οικονομικός πλούτος μιας χώρας μπορεί να μετρηθεί από την ποσότητα θειικού οξέος που παράγει.
Διαδικασία διάσπασης
Το θειικό οξύ χρησιμοποιείται με τη μορφή υδατικών διαλυμάτων διαφόρων συγκεντρώσεων. Υποβάλλεται σε αντίδραση διάστασης σε δύο στάδια, παράγοντας ιόντα H+ σε διάλυμα.
H2SO4 =H+ + HSO4 -;
HSO4- =H + + SO4 -2.
Το θειικό οξύ είναι ισχυρό και το πρώτο στάδιο της διάστασής του είναι τόσο έντονο που σχεδόν όλα τα αρχικά μόρια αποσυντίθενται σε H+-ιόντα και HSO 4-1 -ιόντα (υδροθειικά) σε διάλυμα. Το τελευταίο διασπάται εν μέρει περαιτέρω, απελευθερώνοντας ένα άλλο ιόν H- και αφήνοντας ένα θειικό ιόν (SO4-2) σε διάλυμα. Ωστόσο, το όξινο θειικό, ως ασθενές οξύ, εξακολουθεί να επικρατεί.σε διάλυμα πάνω από H+ και SO4-2. Η πλήρης διάσπασή του συμβαίνει μόνο όταν η πυκνότητα του διαλύματος θειικού οξέος πλησιάζει την πυκνότητα του νερού, δηλαδή με έντονη αραίωση.
Ιδιότητες του θειικού οξέος
Είναι ιδιαίτερο στο ότι μπορεί να δράσει ως κανονικό οξύ ή ως ισχυρός οξειδωτικός παράγοντας, ανάλογα με τη θερμοκρασία και τη συγκέντρωσή του. Ένα ψυχρό αραιό διάλυμα θειικού οξέος αντιδρά με ενεργά μέταλλα για να σχηματίσει ένα άλας (θειικό) και να απελευθερώσει αέριο υδρογόνο. Για παράδειγμα, η αντίδραση μεταξύ ψυχρού αραιωμένου H2SO4 (υποθέτοντας την πλήρη διάσταση σε δύο στάδια) και μεταλλικού ψευδάργυρου μοιάζει με αυτό:
Zn + H2SO4 = ZnSO4+ H2.
Καυτό συμπυκνωμένο θειικό οξύ, με πυκνότητα περίπου 1,8 g/cm3, μπορεί να δράσει ως οξειδωτικός παράγοντας, αντιδρώντας με υλικά που είναι συνήθως αδρανή σε οξέα, όπως π.χ. σαν μεταλλικός χαλκός. Κατά τη διάρκεια της αντίδρασης, ο χαλκός οξειδώνεται και η μάζα του οξέος μειώνεται, σχηματίζεται ένα διάλυμα θειικού χαλκού (II) σε νερό και αέριο διοξείδιο του θείου (SO2) αντί για υδρογόνο, που θα αναμενόταν όταν το οξύ αντιδρά με μέταλλο.
Cu + 2H2SO4 =CuSO4 + SO 2 + 2H2 O.
Πώς εκφράζεται γενικά η συγκέντρωση των διαλυμάτων
Στην πραγματικότητα, η συγκέντρωση οποιουδήποτε διαλύματος μπορεί να εκφραστεί σε διαφορετικάτρόπους, αλλά η πιο ευρέως χρησιμοποιούμενη συγκέντρωση βάρους. Δείχνει τον αριθμό των γραμμαρίων μιας διαλυμένης ουσίας σε μια δεδομένη μάζα ή όγκο διαλύματος ή διαλύτη (συνήθως 1000 g, 1000 cm3, 100 cm3 και 1 dm 3). Αντί για τη μάζα μιας ουσίας σε γραμμάρια, μπορείτε να λάβετε την ποσότητα της εκφρασμένης σε mol - τότε λαμβάνετε τη μοριακή συγκέντρωση ανά 1000 g ή 1 dm3 διάλυμα.
Αν η μοριακή συγκέντρωση ορίζεται σε σχέση όχι με την ποσότητα του διαλύματος, αλλά μόνο με τον διαλύτη, τότε ονομάζεται μοριακότητα του διαλύματος. Χαρακτηρίζεται από ανεξαρτησία από τη θερμοκρασία.
Συχνά, η συγκέντρωση βάρους υποδεικνύεται σε γραμμάρια ανά 100 g διαλύτη. Πολλαπλασιάζοντας αυτόν τον αριθμό επί 100%, το λαμβάνετε σε ποσοστό βάρους (ποσοστιαία συγκέντρωση). Είναι αυτή η μέθοδος που χρησιμοποιείται συχνότερα σε εφαρμογή σε διαλύματα θειικού οξέος.
Κάθε τιμή της συγκέντρωσης ενός διαλύματος που προσδιορίζεται σε μια δεδομένη θερμοκρασία αντιστοιχεί στην πολύ ειδική του πυκνότητα (για παράδειγμα, την πυκνότητα ενός διαλύματος θειικού οξέος). Επομένως, μερικές φορές η λύση χαρακτηρίζεται ακριβώς από αυτήν. Για παράδειγμα, ένα διάλυμα H2SO4, που χαρακτηρίζεται από ποσοστιαία συγκέντρωση 95,72%, έχει πυκνότητα 1,835 g/cm 3 σε t=20 °C. Πώς να προσδιορίσετε τη συγκέντρωση ενός τέτοιου διαλύματος, εάν δίνεται μόνο η πυκνότητα του θειικού οξέος; Ένας πίνακας που δίνει μια τέτοια αντιστοιχία αποτελεί αναπόσπαστο μέρος οποιουδήποτε εγχειριδίου γενικής ή αναλυτικής χημείας.
Παράδειγμα μετατροπής συγκέντρωσης
Ας προσπαθήσουμε να απομακρυνθούμε από έναν τρόπο έκφρασης της συγκέντρωσηςλύση σε άλλη. Ας υποθέσουμε ότι έχουμε ένα διάλυμα H2SO4 σε νερό με ποσοστιαία συγκέντρωση 60%. Αρχικά, προσδιορίζουμε την αντίστοιχη πυκνότητα του θειικού οξέος. Ένας πίνακας που περιέχει ποσοστιαίες συγκεντρώσεις (πρώτη στήλη) και τις αντίστοιχες πυκνότητες ενός υδατικού διαλύματος H2SO4 (τέταρτη στήλη) φαίνεται παρακάτω.
Από αυτό προσδιορίζουμε την επιθυμητή τιμή, η οποία είναι ίση με 1, 4987 g/cm3. Ας υπολογίσουμε τώρα τη μοριακότητα αυτής της λύσης. Για να γίνει αυτό, είναι απαραίτητο να προσδιοριστεί η μάζα του H2SO4 σε 1 λίτρο διάλυμα και τον αντίστοιχο αριθμό γραμμομορίων οξέος.
Όγκος που καταλαμβάνεται από 100 g μητρικού διαλύματος:
100 / 1, 4987=66,7 ml.
Δεδομένου ότι 66,7 χιλιοστόλιτρα διαλύματος 60% περιέχει 60 g οξύ, 1 λίτρο από αυτό θα περιέχει:
(60 / 66, 7) x 1000=899,55
Το μοριακό βάρος του θειικού οξέος είναι 98. Επομένως, ο αριθμός των mole που περιέχονται στα 899,55 g των γραμμαρίων του θα είναι:
899, 55 / 98=9, 18 mol.
Η εξάρτηση της πυκνότητας του θειικού οξέος από τη συγκέντρωση φαίνεται στο Σχ. παρακάτω.
Χρήση θειικού οξέος
Εφαρμόζεται σε διάφορους κλάδους. Στην παραγωγή σιδήρου και χάλυβα χρησιμοποιείται για τον καθαρισμό της επιφάνειας του μετάλλου πριν επικαλυφθεί με άλλη ουσία, εμπλέκεται στη δημιουργία συνθετικών βαφών, καθώς και άλλων τύπων οξέων, όπως το υδροχλωρικό και το νιτρικό. Αυτή επίσηςχρησιμοποιείται στην παραγωγή φαρμακευτικών προϊόντων, λιπασμάτων και εκρηκτικών και είναι επίσης ένα σημαντικό αντιδραστήριο για την αφαίρεση ακαθαρσιών από το πετρέλαιο στη βιομηχανία διύλισης πετρελαίου.
Αυτή η χημική ουσία είναι απίστευτα χρήσιμη στο σπίτι και είναι άμεσα διαθέσιμη ως διάλυμα θειικού οξέος που χρησιμοποιείται σε μπαταρίες μολύβδου-οξέος (όπως αυτές που βρίσκονται στα αυτοκίνητα). Ένα τέτοιο οξύ έχει τυπικά συγκέντρωση περίπου 30% έως 35% H2SO 4 κατά βάρος, ενώ το υπόλοιπο είναι νερό.
Για πολλές οικιακές εφαρμογές, το 30% H2SO4 θα είναι περισσότερο από αρκετό για να καλύψει τις ανάγκες σας. Ωστόσο, η βιομηχανία απαιτεί επίσης πολύ υψηλότερη συγκέντρωση θειικού οξέος. Συνήθως, κατά τη διαδικασία παραγωγής, αποδεικνύεται αρχικά αρκετά αραιωμένο και μολυσμένο με οργανικές ακαθαρσίες. Το συμπυκνωμένο οξύ λαμβάνεται σε δύο στάδια: πρώτα φτάνει στο 70%, και στη συνέχεια - στο δεύτερο στάδιο - αυξάνεται στο 96-98%, που είναι το όριο για οικονομικά βιώσιμη παραγωγή.
Πυκνότητα θειικού οξέος και οι ποιότητες του
Αν και σχεδόν 99% θειικό οξύ μπορεί να ληφθεί για λίγο με βρασμό, η επακόλουθη απώλεια SO3 στο σημείο βρασμού μειώνει τη συγκέντρωση στο 98,3%. Γενικά, η ποικιλία 98% είναι πιο σταθερή στην αποθήκευση.
Οι εμπορικές ποιότητες οξέος διαφέρουν ως προς την ποσοστιαία συγκέντρωσή τους και για αυτές επιλέγονται εκείνες οι τιμές στις οποίες οι θερμοκρασίες κρυστάλλωσης είναι ελάχιστες. Αυτό γίνεται για να μειωθεί η καθίζηση των κρυστάλλων θειικού οξέος.ιζήματα κατά τη μεταφορά και την αποθήκευση. Οι κύριες ποικιλίες είναι:
- Πύργος (νιτρώδης) - 75%. Η πυκνότητα του θειικού οξέος αυτής της ποιότητας είναι 1670 kg/m3. Αποκτήστε το λεγόμενο. νιτρώδους μεθόδου, κατά την οποία το αέριο ψησίματος που λαμβάνεται κατά το ψήσιμο των πρωτογενών πρώτων υλών, που περιέχει διοξείδιο του θείου SO2, σε πύργους με επένδυση (εξ ου και το όνομα της ποικιλίας) επεξεργάζεται με νίτρο (αυτό είναι επίσης H2 SO4, αλλά με οξείδια του αζώτου διαλυμένα σε αυτό). Ως αποτέλεσμα, απελευθερώνονται οξέα και οξείδια του αζώτου, τα οποία δεν καταναλώνονται στη διαδικασία, αλλά επιστρέφουν στον κύκλο παραγωγής.
- Επικοινωνία - 92, 5-98, 0%. Η πυκνότητα του 98% θειικού οξέος αυτής της ποιότητας είναι 1836,5 kg/m3. Λαμβάνεται επίσης από το ψήσιμο αερίου που περιέχει SO2 και η διαδικασία περιλαμβάνει την οξείδωση του διοξειδίου σε ανυδρίτη SO3 όταν έρχεται σε επαφή (επομένως το όνομα της ποικιλίας) με πολλές στρώσεις στερεού καταλύτη βαναδίου.
- Oleum - 104,5%. Η πυκνότητά του είναι 1896,8 kg/m3. Αυτή είναι μια λύση SO3 σε H2SO4, στην οποία το πρώτο συστατικό περιέχει 20 %, και οξέα - ακριβώς 104,5%.
- Υψηλό ποσοστό ελαίου - 114,6%. Η πυκνότητά του είναι 2002 kg/m3.
- Μπαταρία - 92-94%.
Πώς λειτουργεί μια μπαταρία αυτοκινήτου
Η λειτουργία αυτής της μιας από τις πιο μαζικές ηλεκτρικές συσκευές βασίζεται εξ ολοκλήρου σε ηλεκτροχημικές διεργασίες που λαμβάνουν χώρα παρουσία υδατικού διαλύματος θειικού οξέος.
Η μπαταρία του αυτοκινήτου περιέχει αραιό ηλεκτρολύτη θειικού οξέος καιθετικά και αρνητικά ηλεκτρόδια με τη μορφή πολλών πλακών. Οι θετικές πλάκες είναι κατασκευασμένες από ένα κοκκινοκαφέ υλικό - διοξείδιο του μολύβδου (PbO2), και οι αρνητικές πλάκες είναι κατασκευασμένες από γκριζωπό "σπογγώδες" μόλυβδο (Pb).
Επειδή τα ηλεκτρόδια είναι κατασκευασμένα από μόλυβδο ή υλικό που περιέχει μόλυβδο, αυτός ο τύπος μπαταρίας αναφέρεται συχνά ως μπαταρία μολύβδου-οξέος. Η απόδοσή του, δηλαδή το μέγεθος της τάσης εξόδου, καθορίζεται άμεσα από την πυκνότητα ρεύματος του θειικού οξέος (kg/m3 ή g/cm3) που γεμίζεται στην μπαταρία ως ηλεκτρολύτης.
Τι συμβαίνει στον ηλεκτρολύτη όταν η μπαταρία είναι αποφορτισμένη
Ο ηλεκτρολύτης μπαταρίας μολύβδου-οξέος είναι ένα διάλυμα θειικού οξέος μπαταρίας σε χημικά καθαρό απεσταγμένο νερό σε συγκέντρωση 30% όταν είναι πλήρως φορτισμένο. Ένα καθαρό οξύ έχει πυκνότητα 1,835 g/cm3, ένας ηλεκτρολύτης είναι περίπου 1,300 g/cm3. Όταν η μπαταρία αποφορτιστεί, λαμβάνουν χώρα ηλεκτροχημικές αντιδράσεις σε αυτήν, με αποτέλεσμα να λαμβάνεται θειικό οξύ από τον ηλεκτρολύτη. Η πυκνότητα της συγκέντρωσης του διαλύματος εξαρτάται σχεδόν αναλογικά, επομένως θα πρέπει να μειωθεί λόγω μείωσης της συγκέντρωσης του ηλεκτρολύτη.
Όσο το ρεύμα εκφόρτισης ρέει μέσω της μπαταρίας, το οξύ κοντά στα ηλεκτρόδιά της χρησιμοποιείται ενεργά και ο ηλεκτρολύτης γίνεται όλο και πιο αραιός. Η διάχυση του οξέος από τον όγκο ολόκληρου του ηλεκτρολύτη και στις πλάκες του ηλεκτροδίου διατηρεί μια περίπου σταθερή ένταση χημικών αντιδράσεων και, ως αποτέλεσμα, την έξοδοτάση.
Στην αρχή της διαδικασίας εκκένωσης, η διάχυση του οξέος από τον ηλεκτρολύτη στις πλάκες γίνεται γρήγορα επειδή το προκύπτον θειικό δεν έχει φράξει ακόμη τους πόρους στο ενεργό υλικό των ηλεκτροδίων. Καθώς το θειικό άλας αρχίζει να σχηματίζεται και να γεμίζει τους πόρους των ηλεκτροδίων, η διάχυση γίνεται πιο αργά.
Θεωρητικά, μπορείτε να συνεχίσετε την εκκένωση έως ότου εξαντληθεί όλο το οξύ και ο ηλεκτρολύτης είναι καθαρό νερό. Ωστόσο, η εμπειρία δείχνει ότι οι εκκενώσεις δεν πρέπει να συνεχιστούν αφού η πυκνότητα του ηλεκτρολύτη πέσει στα 1,150 g/cm3.
Όταν η πυκνότητα πέφτει από το 1.300 στο 1.150, αυτό σημαίνει ότι σχηματίστηκε τόσο πολύ θειικό άλας κατά τη διάρκεια των αντιδράσεων και γεμίζει όλους τους πόρους των ενεργών υλικών στις πλάκες, δηλαδή σχεδόν όλο το θειικό οξύ. Η πυκνότητα εξαρτάται από τη συγκέντρωση αναλογικά, και με τον ίδιο τρόπο η φόρτιση της μπαταρίας εξαρτάται από την πυκνότητα. Στο σχ. Η εξάρτηση της φόρτισης της μπαταρίας από την πυκνότητα του ηλεκτρολύτη φαίνεται παρακάτω.
Η αλλαγή της πυκνότητας του ηλεκτρολύτη είναι ο καλύτερος τρόπος για τον προσδιορισμό της κατάστασης εκφόρτισης μιας μπαταρίας, υπό την προϋπόθεση ότι χρησιμοποιείται σωστά.
Βαθμοί εκφόρτισης μπαταρίας αυτοκινήτου ανάλογα με την πυκνότητα του ηλεκτρολύτη
Η πυκνότητά του θα πρέπει να μετράται κάθε δύο εβδομάδες και οι μετρήσεις θα πρέπει να καταγράφονται συνεχώς για μελλοντική αναφορά.
Όσο πιο πυκνός είναι ο ηλεκτρολύτης, τόσο περισσότερο οξύ περιέχει και τόσο πιο φορτισμένη είναι η μπαταρία. Πυκνότητα σε 1.300-1.280 g/cm3δείχνει πλήρη φόρτιση. Κατά κανόνα, οι ακόλουθοι βαθμοί εκφόρτισης της μπαταρίας διακρίνονται ανάλογα με την πυκνότητα του ηλεκτρολύτη:
- 1, 300-1, 280 - πλήρως φορτισμένο:
- 1, 280-1, 200 - περισσότερο από το μισό άδειο;
- 1, 200-1, 150 - λιγότερο από το μισό γεμάτο;
- 1, 150 - σχεδόν άδειο.
Μια πλήρως φορτισμένη μπαταρία έχει τάση 2,5 έως 2,7 βολτ ανά στοιχείο πριν συνδεθεί στο δίκτυο του αυτοκινήτου της. Μόλις συνδεθεί ένα φορτίο, η τάση πέφτει γρήγορα στα 2,1 βολτ περίπου μέσα σε τρία ή τέσσερα λεπτά. Αυτό οφείλεται στο σχηματισμό ενός λεπτού στρώματος θειικού μολύβδου στην επιφάνεια των πλακών αρνητικών ηλεκτροδίων και μεταξύ του στρώματος υπεροξειδίου του μολύβδου και του μετάλλου των θετικών πλακών. Η τελική τιμή της τάσης του στοιχείου μετά τη σύνδεση στο δίκτυο του αυτοκινήτου είναι περίπου 2,15-2,18 βολτ.
Όταν αρχίζει να ρέει ρεύμα μέσω της μπαταρίας κατά την πρώτη ώρα λειτουργίας, υπάρχει πτώση τάσης στα 2 V, λόγω αύξησης της εσωτερικής αντίστασης των κυψελών λόγω του σχηματισμού περισσότερων θειικών αλάτων, τα οποία γεμίζουν τους πόρους των πλακών, και την απομάκρυνση του οξέος από τον ηλεκτρολύτη. Λίγο πριν την έναρξη της ροής του ρεύματος, η πυκνότητα του ηλεκτρολύτη είναι μέγιστη και ίση με 1.300 g/cm3. Αρχικά, η αραίωσή του συμβαίνει γρήγορα, αλλά στη συνέχεια δημιουργείται μια ισορροπημένη κατάσταση μεταξύ της πυκνότητας του οξέος κοντά στις πλάκες και στον κύριο όγκο του ηλεκτρολύτη, η απομάκρυνση του οξέος από τα ηλεκτρόδια υποστηρίζεται από την παροχή νέων τμημάτων του οξύ από το κύριο μέρος του ηλεκτρολύτη. Σε αυτή την περίπτωση, η μέση πυκνότητα του ηλεκτρολύτησυνεχίζει να μειώνεται σταθερά σύμφωνα με την εξάρτηση που φαίνεται στο Σχ. πιο ψηλά. Μετά την αρχική πτώση, η τάση μειώνεται πιο αργά, ο ρυθμός μείωσης εξαρτάται από το φορτίο της μπαταρίας. Το γράφημα χρόνου της διαδικασίας εκφόρτισης φαίνεται στο σχ. παρακάτω.
Παρακολούθηση της κατάστασης του ηλεκτρολύτη στην μπαταρία
Για τον προσδιορισμό της πυκνότητας χρησιμοποιείται ένα υδρόμετρο. Αποτελείται από ένα μικρό σφραγισμένο γυάλινο σωλήνα με διαστολή στο κάτω άκρο γεμάτο με σφηνάκι ή υδράργυρο και βαθμονομημένη κλίμακα στο επάνω άκρο. Αυτή η κλίμακα επισημαίνεται από 1.100 έως 1.300 με διάφορες τιμές ενδιάμεσα, όπως φαίνεται στο Σχ. παρακάτω. Εάν αυτό το υδρόμετρο τοποθετηθεί σε έναν ηλεκτρολύτη, θα βυθιστεί σε ένα ορισμένο βάθος. Με αυτόν τον τρόπο, θα μετατοπίσει έναν ορισμένο όγκο ηλεκτρολύτη και όταν επιτευχθεί μια θέση ισορροπίας, το βάρος του μετατοπισμένου όγκου θα είναι απλώς ίσο με το βάρος του υδρόμετρου. Δεδομένου ότι η πυκνότητα του ηλεκτρολύτη είναι ίση με την αναλογία του βάρους του προς τον όγκο και το βάρος του υδρόμετρου είναι γνωστό, κάθε επίπεδο βύθισής του στο διάλυμα αντιστοιχεί σε μια ορισμένη πυκνότητα.
Ορισμένα υδρόμετρα δεν έχουν κλίμακα με τιμές πυκνότητας, αλλά επισημαίνονται με τις επιγραφές: "Φορτισμένη", "Μισή εκφόρτιση", "Πλήρης εκφόρτιση" ή παρόμοια.
