سولفوریک اسید رقیق و غلیظ مواد شیمیایی بسیار مهمی هستند که در دنیا بیش از هر ماده دیگری از آنها تولید می شود. ثروت اقتصادی یک کشور را می توان با مقدار اسید سولفوریک تولیدی آن اندازه گیری کرد.
فرایند تفکیک
سولفوریک اسید به شکل محلول های آبی با غلظت های مختلف استفاده می شود. این یک واکنش تفکیک را در دو مرحله انجام می دهد و یون های H+ را در محلول تولید می کند.
H2SO4 =H+ + HSO4 -;
HSO4- =H + + SO4 -2.
اسید سولفوریک قوی است و اولین مرحله تفکیک آن چنان شدید است که تقریباً همه مولکول‌های اصلی به یون‌های H+ و HSO تجزیه می‌شوند. 4-1 یون (هیدروسولفات) در محلول. دومی تا حدی بیشتر تجزیه می شود، و یک یون H+ آزاد می کند و یک یون سولفات باقی می گذارد (SO4-2) در محلول. با این حال، سولفات هیدروژن، به عنوان یک اسید ضعیف، هنوز هم غالب است.در محلول بیش از H+ و SO4-2. تفکیک کامل آن تنها زمانی اتفاق می افتد که چگالی محلول اسید سولفوریک به چگالی آب نزدیک شود، یعنی با رقت قوی.
خواص اسید سولفوریک
خاص آن است که بسته به دما و غلظت آن می تواند به عنوان یک اسید معمولی یا به عنوان یک اکسید کننده قوی عمل کند. محلول رقیق سرد اسید سولفوریک با فلزات فعال واکنش داده و نمک (سولفات) تشکیل می دهد و گاز هیدروژن آزاد می کند. برای مثال، واکنش بین رقیق سرد H2SO4 (با فرض تفکیک کامل دو مرحله‌ای آن) و روی فلزی به این صورت است:
Zn + H2SO4 = ZnSO4+ H2.
اسید سولفوریک غلیظ داغ، با چگالی حدود 1.8 گرم در سانتی متر3، می تواند به عنوان یک عامل اکسید کننده عمل کند و با موادی که معمولاً نسبت به اسیدها بی اثر هستند، واکنش نشان می دهد، مانند مانند مس فلزی در طی واکنش، مس اکسید می شود و جرم اسید کاهش می یابد، محلولی از سولفات مس (II) در آب و دی اکسید گوگرد گازی (SO2) به جای هیدروژن تشکیل می شود. زمانی که اسید با فلز واکنش می دهد، انتظار می رود.
Cu + 2H2SO4 =CuSO4 + SO 2 + 2H2 O.
غلظت محلول ها به طور کلی چگونه بیان می شود
در واقع غلظت هر محلولی را می توان به صورت متفاوت بیان کردروش، اما به طور گسترده ای استفاده می شود غلظت وزن. تعداد گرم یک املاح را در جرم یا حجم معینی از یک محلول یا حلال نشان می دهد (معمولاً 1000 گرم، 1000 سانتی متر3، 100 سانتی متر3 و 1 dm 3). به جای جرم یک ماده بر حسب گرم، می توانید مقدار آن را به صورت مول در نظر بگیرید - سپس غلظت مولی در هر 1000 گرم یا 1 dm را دریافت می کنید3 محلول.
اگر غلظت مولی نه نسبت به مقدار محلول، بلکه فقط با حلال تعریف شود، آن را موالیته محلول می نامند. با استقلال از دما مشخص می شود.
اغلب، غلظت وزنی بر حسب گرم در 100 گرم حلال نشان داده می شود. با ضرب این رقم در 100٪، آن را در درصد وزنی (درصد غلظت) بدست می آورید. این روش است که اغلب در کاربرد محلول های اسید سولفوریک استفاده می شود.
هر مقدار غلظت یک محلول تعیین شده در دمای معین با چگالی بسیار خاص آن (مثلاً چگالی محلول اسید سولفوریک) مطابقت دارد. بنابراین، گاهی اوقات راه حل دقیقاً با آن مشخص می شود. به عنوان مثال، محلول H2SO4، که با درصد غلظت 95.72٪ مشخص می شود، دارای چگالی 1.835 g/cm است. 3 در t=20 ° C. چگونه می توان غلظت چنین محلولی را تعیین کرد، اگر فقط چگالی اسید سولفوریک داده شود؟ جدولی که چنین تطابقی را ارائه می دهد، بخشی جدایی ناپذیر از هر کتاب درسی شیمی عمومی یا تحلیلی است.
نمونه تبدیل غلظت
بیایید سعی کنیم از یک راه برای بیان تمرکز حرکت کنیمراه حل برای دیگری فرض کنید محلولی از H2SO4 در آب با درصد غلظت ۶۰ درصد داریم. ابتدا چگالی متناظر اسید سولفوریک را تعیین می کنیم. جدولی حاوی درصد غلظت (ستون اول) و چگالی متناظر آنها از محلول آبی H2SO4 (ستون چهارم) در زیر نشان داده شده است.
از آن مقدار مورد نظر را تعیین می کنیم که برابر است با 1,4987 g/cm3. اکنون مولاریته این محلول را محاسبه می کنیم. برای این کار، باید جرم H2SO4 را در ۱ لیتر تعیین کرد. محلول و تعداد مول اسید مربوطه.
حجم اشغال شده توسط 100 گرم محلول استوک:
100 / 1، 4987=66.7 میلی لیتر.
از آنجایی که 66.7 میلی لیتر از محلول 60٪ حاوی 60 گرم اسید است، 1 لیتر از آن حاوی:
است.
(60 / 66، 7) x 1000=899.55
وزن مولی اسید سولفوریک 98 است. بنابراین، تعداد مولهای موجود در 899.55 گرم گرم آن عبارت است از:
899، 55 / 98=9، 18 mol.
وابستگی چگالی اسید سولفوریک به غلظت در شکل نشان داده شده است. زیر.
استفاده از اسید سولفوریک
در صنایع مختلف کاربرد دارد. در تولید آهن و فولاد از آن برای تمیز کردن سطح فلز قبل از پوشاندن آن با ماده دیگری استفاده می شود، در ایجاد رنگ های مصنوعی و همچنین انواع اسیدهای دیگر مانند هیدروکلریک و نیتریک نقش دارد. او نیزدر تولید داروها، کودها و مواد منفجره استفاده می شود و همچنین یک معرف مهم در حذف ناخالصی های نفت در صنعت پالایش نفت است.
این ماده شیمیایی فوق العاده در خانه مفید است و به راحتی به عنوان محلول اسید سولفوریک مورد استفاده در باتری های اسید سرب (مانند باتری های موجود در اتومبیل) در دسترس است. چنین اسیدی معمولاً دارای غلظتی در حدود 30% تا 35% H2SO 4 از نظر وزنی است و بقیه آن آب است.
برای بسیاری از کاربردهای خانگی، 30% H2SO4 برای رفع نیازهای شما بیش از اندازه کافی خواهد بود. با این حال، صنعت همچنین به غلظت بسیار بالاتری از اسید سولفوریک نیاز دارد. معمولاً در طول فرآیند تولید، ابتدا کاملاً رقیق شده و آلوده به ناخالصی های آلی است. اسید غلیظ در دو مرحله به دست می آید: ابتدا به 70% می رسد و سپس - در مرحله دوم - به 96-98% افزایش می یابد که حد تولید با صرفه اقتصادی است.
چگالی اسید سولفوریک و درجات آن
اگرچه تقریباً 99٪ اسید سولفوریک را می توان برای مدت کوتاهی با جوشاندن به دست آورد، اما از دست دادن بعدی SO3 در نقطه جوش، غلظت را به 98.3٪ کاهش می دهد. به طور کلی، تنوع 98٪ در ذخیره سازی پایدارتر است.
درجات تجاری اسید از نظر غلظت درصد متفاوت است و برای آنها مقادیری انتخاب می شوند که در آن دمای کریستالیزاسیون حداقل است. این کار برای کاهش رسوب کریستال های اسید سولفوریک انجام می شود.رسوب در حین حمل و نقل و ذخیره سازی انواع اصلی عبارتند از:
- برج (نیتروژن) - 75%. چگالی اسید سولفوریک این درجه 1670 کیلوگرم بر متر 3 است. به اصطلاح آن را دریافت کنید. روش نیتروژن، که در آن گاز برشته‌شده در حین برشته کردن مواد اولیه اولیه، حاوی دی اکسید گوگرد SO2، در برج‌های آستردار (از این رو نام واریته) با نیتروژن تصفیه می‌شود (این همچنین H2 SO4 است، اما با اکسیدهای نیتروژن محلول در آن). در نتیجه، اکسیدهای اسید و نیتروژن آزاد می شوند که در این فرآیند مصرف نمی شوند، اما به چرخه تولید باز می گردند.
- تماس - 92، 5-98، 0%. چگالی اسید سولفوریک 98% این گرید 1836.5 کیلوگرم در متر مربع است. همچنین از بو دادن گاز حاوی SO2 به دست می آید، و این فرآیند شامل اکسیداسیون دی اکسید به انیدرید SO3 در هنگام تماس است (از این رو، نام واریته) با چندین لایه کاتالیزور وانادیوم جامد.
- Oleum - 104.5%. چگالی آن 1896.8 کیلوگرم بر متر است3. این راه حلی از SO3 در H2SO4 است، که در آن جزء اول شامل 20 است. ٪ و اسیدها - دقیقاً 104.5%.
- درصد اولئوم بالا - 114.6%. چگالی آن 2002 کیلوگرم بر متر است3.
- باتری - 92-94%.
چگونه باتری ماشین کار می کند
عملکرد این یکی از عظیم ترین دستگاه های الکتریکی کاملاً مبتنی بر فرآیندهای الکتروشیمیایی است که در حضور محلول آبی اسید سولفوریک رخ می دهد.
باطری خودرو حاوی الکترولیت اسید سولفوریک رقیق والکترودهای مثبت و منفی به شکل چند صفحه. صفحات مثبت از ماده قهوه ای مایل به قرمز - دی اکسید سرب (PbO2) و صفحات منفی از سرب "اسفنجی" مایل به خاکستری (Pb) ساخته شده اند.
از آنجایی که الکترودها از سرب یا مواد حاوی سرب ساخته شده اند، این نوع باتری اغلب به عنوان باتری سرب اسیدی شناخته می شود. عملکرد آن، یعنی مقدار ولتاژ خروجی، مستقیماً با چگالی جریان اسید سولفوریک (kg/m3 یا g/cm3) که به عنوان الکترولیت در باتری پر شده است، تعیین می شود.
وقتی باتری خالی می شود برای الکترولیت چه اتفاقی می افتد
الکترولیت باتری سرب اسید محلولی از اسید سولفوریک باتری در آب مقطر خالص شیمیایی با غلظت 30 درصد در هنگام شارژ کامل است. یک اسید خالص دارای چگالی 1.835 گرم در سانتی متر3 است، یک الکترولیت در حدود 1.300 g/cm3 است. هنگامی که باتری تخلیه می شود، واکنش های الکتروشیمیایی در آن انجام می شود که در نتیجه اسید سولفوریک از الکترولیت گرفته می شود. چگالی غلظت محلول تقریباً متناسب است، بنابراین به دلیل کاهش غلظت الکترولیت باید کاهش یابد.
تا زمانی که جریان تخلیه از باتری عبور می کند، اسید نزدیک الکترودهای آن به طور فعال مورد استفاده قرار می گیرد و الکترولیت بیشتر و بیشتر رقیق می شود. انتشار اسید از حجم کل الکترولیت و به صفحات الکترود، شدت تقریباً ثابتی از واکنش های شیمیایی و در نتیجه خروجی را حفظ می کند.ولتاژ.
در ابتدای فرآیند تخلیه، انتشار اسید از الکترولیت به داخل صفحات به سرعت اتفاق می افتد زیرا سولفات حاصل هنوز منافذ ماده فعال الکترودها را مسدود نکرده است. همانطور که سولفات شروع به تشکیل و پر کردن منافذ الکترودها می کند، انتشار کندتر اتفاق می افتد.
از نظر تئوری، می توانید تخلیه را تا زمانی که تمام اسید مصرف شده و الکترولیت آب خالص شود ادامه دهید. با این حال، تجربه نشان می دهد که تخلیه ها نباید پس از کاهش چگالی الکترولیت به 1.150 گرم در سانتی متر ادامه یابد3.
وقتی چگالی از 1300 به 1150 کاهش می یابد، این بدان معناست که سولفات زیادی در طی واکنش ها تشکیل شده است و تمام منافذ مواد فعال روی صفحات، یعنی تقریباً تمام اسید سولفوریک را پر می کند. چگالی به طور متناسب به غلظت بستگی دارد و به همان ترتیب شارژ باتری به چگالی بستگی دارد. روی انجیر وابستگی شارژ باتری به چگالی الکترولیت در زیر نشان داده شده است.
تغییر چگالی الکترولیت بهترین وسیله برای تعیین وضعیت تخلیه باتری است، مشروط بر اینکه از آن به درستی استفاده شود.
درجه تخلیه باتری خودرو بسته به چگالی الکترولیت
چگالی آن باید هر دو هفته اندازه گیری شود و قرائت ها باید به طور مداوم برای مراجعات بعدی ثبت شوند.
هرچه الکترولیت متراکم تر باشد، اسید بیشتری در آن وجود دارد و باتری شارژ بیشتری دارد. چگالی در 1.300-1.280g/cm3شارژ کامل را نشان می دهد. به عنوان یک قاعده، بسته به چگالی الکترولیت، درجات تخلیه باتری زیر مشخص می شود:
- 1، 300-1، 280 - کاملاً شارژ شده:
- 1، 280-1، 200 - بیش از نیمی خالی؛
- 1، 200-1، 150 - کمتر از نیمه پر؛
- 1، 150 - تقریباً خالی.
یک باتری کاملاً شارژ شده قبل از اتصال به برق خودروی خود دارای ولتاژ 2.5 تا 2.7 ولت در هر سلول است. به محض وصل شدن بار، ولتاژ به سرعت در عرض سه یا چهار دقیقه به حدود 2.1 ولت کاهش می یابد. این به دلیل تشکیل یک لایه نازک از سولفات سرب در سطح صفحات الکترود منفی و بین لایه پراکسید سرب و فلز صفحات مثبت است. مقدار نهایی ولتاژ سلول پس از اتصال به شبکه خودرو حدود 2.15-2.18 ولت است.
هنگامی که در ساعت اول کارکرد جریان از باتری شروع به عبور می کند، ولتاژ 2 ولت به دلیل افزایش مقاومت داخلی سلول ها به دلیل تشکیل سولفات بیشتر است که پر می شود. منافذ صفحات و حذف اسید از الکترولیت. اندکی قبل از شروع جریان، چگالی الکترولیت حداکثر و برابر با 1.300 گرم در سانتی متر است3. ابتدا کمیاب شدن آن به سرعت اتفاق می افتد، اما سپس یک حالت متعادل بین چگالی اسید در نزدیکی صفحات ایجاد می شود و در حجم اصلی الکترولیت، حذف اسید توسط الکترودها با تامین قطعات جدید پشتیبانی می شود. اسید از قسمت اصلی الکترولیت. در این مورد، چگالی متوسط الکترولیتبا توجه به وابستگی نشان داده شده در شکل به کاهش پیوسته ادامه می دهد. بالاتر پس از افت اولیه، ولتاژ به آرامی کاهش می یابد، نرخ کاهش بسته به بار روی باتری است. نمودار زمان فرآیند تخلیه در شکل نشان داده شده است. زیر.
نظارت بر وضعیت الکترولیت در باتری
برای تعیین چگالی از یک هیدرومتر استفاده می شود. این شامل یک لوله شیشه ای مهر و موم شده کوچک با انبساط در انتهای پایین پر از گلوله یا جیوه و یک مقیاس مدرج در انتهای بالایی است. این مقیاس از 1.100 تا 1.300 با مقادیر مختلف در بین برچسب گذاری شده است، همانطور که در شکل نشان داده شده است. زیر اگر این هیدرومتر در یک الکترولیت قرار گیرد تا عمق مشخصی فرو می رود. با انجام این کار، حجم معینی از الکترولیت را جابه‌جا می‌کند و وقتی به یک موقعیت تعادل رسید، وزن حجم جابجا شده به سادگی با وزن هیدرومتر برابر خواهد شد. از آنجایی که چگالی الکترولیت برابر با نسبت وزن آن به حجم است و وزن هیدرومتر مشخص است، هر سطح از غوطه ور شدن آن در محلول با چگالی خاصی مطابقت دارد.
برخی از هیدرومترها مقیاسی با مقادیر چگالی ندارند، اما با نوشته های: "شارژ شده"، "نصف تخلیه"، "تخلیه کامل" یا مشابه مشخص شده اند.
