Verdund en geconcentreerd zwavelzuur zijn zulke belangrijke chemicaliën dat de wereld er meer van produceert dan welke andere stof dan ook. De economische rijkdom van een land kan worden afgemeten aan de hoeveelheid zwavelzuur die het produceert.
Dissociatieproces
Zwavelzuur wordt gebruikt in de vorm van waterige oplossingen van verschillende concentraties. Het ondergaat een dissociatiereactie in twee stappen, waarbij H+ ionen in oplossing worden geproduceerd.
H2SO4 =H+ + HSO4 -;
HSO4- =H + + SO4 -2.
Zwavelzuur is sterk en de eerste fase van zijn dissociatie is zo intens dat bijna alle oorspronkelijke moleculen uiteenvallen in H+-ionen en HSO 4-1 -ionen (hydrosulfaat) in oplossing. De laatste vervallen gedeeltelijk verder, waarbij een ander H+-ion vrijkomt en een sulfaation achterblijft (SO4-2) in oplossing. Waterstofsulfaat, dat een zwak zuur is, heeft echter nog steeds de overhand.in oplossing over H+ en SO4-2. De volledige dissociatie vindt alleen plaats wanneer de dichtheid van de zwavelzuuroplossing de dichtheid van water benadert, dat wil zeggen bij sterke verdunning.
Eigenschappen van zwavelzuur
Het is speciaal omdat het kan werken als een normaal zuur of als een sterk oxidatiemiddel, afhankelijk van de temperatuur en concentratie. Een koude verdunde oplossing van zwavelzuur reageert met actieve metalen om een zout (sulfaat) te vormen en waterstofgas vrij te maken. Bijvoorbeeld, de reactie tussen koud verdund H2SO4 (ervan uitgaande dat de volledige dissociatie in twee fasen plaatsvindt) en metallisch zink ziet er als volgt uit:
Zn + H2SO4 = ZnSO4+ H2.
Heet geconcentreerd zwavelzuur, met een dichtheid van ongeveer 1,8 g/cm3, kan als oxidatiemiddel werken en reageren met materialen die normaal inert zijn voor zuren, zoals zoals metallisch koper. Tijdens de reactie wordt koper geoxideerd en neemt de massa van het zuur af, een oplossing van koper (II) sulfaat in water en gasvormig zwaveldioxide (SO2) in plaats van waterstof wordt gevormd, wat je zou verwachten als het zuur reageert met metaal.
Cu + 2H2SO4 =CuSO4 + SO 2 + 2H2 O.
Hoe wordt de concentratie van oplossingen in het algemeen uitgedrukt
Eigenlijk kan de concentratie van elke oplossing in verschillende worden uitgedruktmanieren, maar de meest gebruikte gewichtsconcentratie. Het toont het aantal grammen van een opgeloste stof in een gegeven massa of volume van een oplossing of oplosmiddel (meestal 1000 g, 1000 cm3, 100 cm3 en 1 dm 3). In plaats van de massa van een stof in grammen, kun je de hoeveelheid uitgedrukt in mol nemen - dan krijg je de molaire concentratie per 1000 g of 1 dm3 oplossing.
Als de molaire concentratie wordt gedefinieerd in relatie tot de hoeveelheid van de oplossing, maar alleen tot het oplosmiddel, dan wordt dit de molaliteit van de oplossing genoemd. Het wordt gekenmerkt door onafhankelijkheid van temperatuur.
Vaak wordt de gewichtsconcentratie aangegeven in gram per 100 g oplosmiddel. Als u dit cijfer met 100% vermenigvuldigt, krijgt u het in gewichtspercentage (percentageconcentratie). Het is deze methode die het meest wordt gebruikt bij toepassing op zwavelzuuroplossingen.
Elke waarde van de concentratie van een oplossing bepaald bij een gegeven temperatuur komt overeen met zijn zeer specifieke dichtheid (bijvoorbeeld de dichtheid van een oplossing van zwavelzuur). Daarom wordt de oplossing er soms juist door gekenmerkt. Een oplossing van H2SO4, gekenmerkt door een procentuele concentratie van 95,72%, heeft bijvoorbeeld een dichtheid van 1,835 g/cm 3 op t=20 °С. Hoe de concentratie van een dergelijke oplossing te bepalen, als alleen de dichtheid van zwavelzuur wordt gegeven? Een tabel met een dergelijke overeenkomst is een integraal onderdeel van elk leerboek over algemene of analytische chemie.
Voorbeeld van concentratieconversie
Laten we proberen af te stappen van één manier om concentratie uit te drukkenoplossing naar een ander. Stel dat we een oplossing hebben van H2SO4 in water met een procentuele concentratie van 60%. Eerst bepalen we de overeenkomstige dichtheid van zwavelzuur. Een tabel met procentuele concentraties (eerste kolom) en hun overeenkomstige dichtheden van een waterige oplossing van H2SO4 (vierde kolom) wordt hieronder weergegeven.
Hieruit bepalen we de gewenste waarde, die gelijk is aan 1, 4987 g/cm3. Laten we nu de molariteit van deze oplossing berekenen. Om dit te doen, is het noodzakelijk om de massa van H2SO4 in 1 liter oplossing en het overeenkomstige aantal mol zuur.
Volume ingenomen door 100 g stockoplossing:
100 / 1, 4987=66,7 ml.
Aangezien 66,7 milliliter van een 60% oplossing 60 g zuur bevat, bevat 1 liter ervan:
(60 / 66, 7) x 1000=899,55
Het molaire gewicht van zwavelzuur is 98. Het aantal mol in 899,55 g van zijn gram zal dus zijn:
899, 55 / 98=9, 18 mol.
De afhankelijkheid van de dichtheid van zwavelzuur van de concentratie wordt getoond in Fig. hieronder.
Gebruik van zwavelzuur
Het wordt toegepast in verschillende industrieën. Bij de productie van ijzer en staal wordt het gebruikt om het oppervlak van het metaal te reinigen voordat het wordt gecoat met een andere stof, het is betrokken bij het maken van synthetische kleurstoffen, evenals andere soorten zuren, zoals zoutzuur en salpeterzuur. Zij ookgebruikt bij de productie van geneesmiddelen, meststoffen en explosieven, en is ook een belangrijk reagens bij het verwijderen van onzuiverheden uit olie in de olieraffinage-industrie.
Deze chemische stof is ongelooflijk nuttig in huis en is gemakkelijk verkrijgbaar als zwavelzuuroplossing die wordt gebruikt in loodzuuraccu's (zoals die in auto's). Een dergelijk zuur heeft typisch een concentratie van ongeveer 30 tot 35 gew.% H2SO 4, terwijl de rest water is.
Voor veel thuistoepassingen is 30% H2SO4 meer dan genoeg om aan uw behoeften te voldoen. De industrie heeft echter ook een veel hogere concentratie zwavelzuur nodig. Meestal blijkt het tijdens het productieproces eerst behoorlijk verdund en verontreinigd te zijn met organische onzuiverheden. Het geconcentreerde zuur wordt in twee fasen verkregen: eerst wordt het op 70% gebracht en vervolgens - in de tweede fase - op 96-98%, wat de grens is voor een economisch haalbare productie.
Dichtheid van zwavelzuur en zijn kwaliteiten
Hoewel bijna 99% zwavelzuur kort kan worden verkregen door te koken, vermindert het daaropvolgende verlies van SO3 bij het kookpunt de concentratie tot 98,3%. Over het algemeen is de variëteit van 98% stabieler bij opslag.
Commerciële zuurgraden verschillen in procentuele concentratie, en voor hen worden die waarden gekozen waarbij de kristallisatietemperaturen minimaal zijn. Dit wordt gedaan om de precipitatie van zwavelzuurkristallen te verminderen.sediment tijdens transport en opslag. De belangrijkste variëteiten zijn:
- Toren (salpeterig) - 75%. De dichtheid van zwavelzuur van deze kwaliteit is 1670 kg/m3. Krijg het zogenaamd. nitreuze methode, waarbij het tijdens het branden van primaire grondstoffen verkregen brandgas, dat zwaveldioxide SO2 bevat, in beklede torens (vandaar de naam van de variëteit) wordt behandeld met nitrous (dit is ook H2 SO4, maar met daarin opgeloste stikstofoxiden). Als gevolg hiervan komen zuur- en stikstofoxiden vrij, die niet in het proces worden verbruikt, maar worden teruggevoerd naar de productiecyclus.
- Contact - 92, 5-98, 0%. De dichtheid van 98% zwavelzuur van deze kwaliteit is 1836,5 kg/m3. Het wordt ook verkregen uit roostgas dat SO2 bevat, en het proces omvat de oxidatie van dioxide tot anhydride SO3 wanneer het in contact komt (vandaar de naam van de variëteit) met verschillende lagen vaste vanadiumkatalysator.
- Oleum - 104,5%. Zijn dichtheid is 1896,8 kg/m3. Dit is een oplossing van SO3 in H2SO4, waarbij de eerste component 20 %, en zuren - precies 104,5%.
- Hoog percentage oleum - 114,6%. Zijn dichtheid is 2002 kg/m3.
- Batterij - 92-94%.
Hoe een auto-accu werkt
De werking van dit een van de meest massieve elektrische apparaten is volledig gebaseerd op elektrochemische processen die plaatsvinden in de aanwezigheid van een waterige oplossing van zwavelzuur.
De auto-accu bevat verdund zwavelzuurelektrolyt enpositieve en negatieve elektroden in de vorm van meerdere platen. De positieve platen zijn gemaakt van een roodbruin materiaal - looddioxide (PbO2), en de negatieve platen zijn gemaakt van grijsachtig "sponsachtig" lood (Pb).
Omdat de elektroden zijn gemaakt van lood of loodhoudend materiaal, wordt dit type batterij vaak een loodzuurbatterij genoemd. Zijn prestatie, d.w.z. de grootte van de uitgangsspanning, wordt direct bepaald door de stroomdichtheid van zwavelzuur (kg/m3 of g/cm3) dat als elektrolyt in de batterij wordt gevuld.
Wat gebeurt er met de elektrolyt als de batterij leeg is
De elektrolyt van loodzuuraccu's is een oplossing van zwavelzuur van de accu in chemisch zuiver gedestilleerd water met een concentratie van 30% wanneer deze volledig is opgeladen. Een zuiver zuur heeft een dichtheid van 1,835 g/cm3, een elektrolyt is ongeveer 1.300 g/cm3. Als de batterij ontladen is, vinden daarin elektrochemische reacties plaats, waardoor zwavelzuur uit de elektrolyt wordt gehaald. De dichtheid van de oplossingsconcentratie hangt bijna proportioneel af, dus deze zou moeten afnemen als gevolg van een afname van de elektrolytconcentratie.
Zolang de ontlaadstroom door de batterij stroomt, wordt het zuur in de buurt van de elektroden actief gebruikt en wordt de elektrolyt steeds meer verdund. Diffusie van zuur uit het volume van de gehele elektrolyt en naar de elektrodeplaten handhaaft een ongeveer constante intensiteit van chemische reacties en, als resultaat, de outputspanning.
Aan het begin van het ontladingsproces vindt diffusie van zuur uit de elektrolyt in de platen snel plaats omdat het resulterende sulfaat de poriën in het actieve materiaal van de elektroden nog niet heeft verstopt. Naarmate sulfaat zich begint te vormen en de poriën van de elektroden vult, vindt diffusie langzamer plaats.
Theoretisch kun je doorgaan met de ontlading totdat al het zuur is opgebruikt en de elektrolyt zuiver water is. De ervaring leert echter dat ontladingen niet mogen doorgaan nadat de dichtheid van het elektrolyt is gedaald tot 1.150 g/cm3.
Als de dichtheid da alt van 1.300 naar 1.150, betekent dit dat er zoveel sulfaat is gevormd tijdens de reacties, en het vult alle poriën in de actieve materialen op de platen, d.w.z. bijna al het zwavelzuur. De dichtheid hangt proportioneel af van de concentratie, en op dezelfde manier hangt de batterijlading af van de dichtheid. Op afb. De afhankelijkheid van de batterijlading van de elektrolytdichtheid wordt hieronder weergegeven.
Het veranderen van de dichtheid van de elektrolyt is de beste manier om de ontladingstoestand van een batterij te bepalen, mits deze op de juiste manier wordt gebruikt.
Ontladingsgraden van een auto-accu afhankelijk van de dichtheid van de elektrolyt
De dichtheid moet elke twee weken worden gemeten en de metingen moeten continu worden geregistreerd voor toekomstig gebruik.
Hoe dichter de elektrolyt, hoe meer zuur het bevat en hoe meer opgeladen de batterij. Dichtheid in 1.300-1.280g/cm3geeft volledige lading aan. Afhankelijk van de dichtheid van het elektrolyt worden in de regel de volgende gradaties van ontlading van de batterij onderscheiden:
- 1, 300-1, 280 - volledig opgeladen:
- 1, 280-1, 200 - meer dan de helft leeg;
- 1, 200-1, 150 - minder dan halfvol;
- 1, 150 - bijna leeg.
Een volledig opgeladen batterij heeft een spanning van 2,5 tot 2,7 volt per cel voordat deze wordt aangesloten op het autonet. Zodra een belasting is aangesloten, da alt de spanning binnen drie of vier minuten snel tot ongeveer 2,1 volt. Dit komt door de vorming van een dunne laag loodsulfaat op het oppervlak van de negatieve elektrodeplaten en tussen de loodperoxidelaag en het metaal van de positieve platen. De uiteindelijke waarde van de celspanning na aansluiting op het autonetwerk is ongeveer 2,15-2,18 volt.
Wanneer er tijdens het eerste bedrijfsuur stroom door de batterij begint te stromen, is er een spanningsdaling tot 2 V, als gevolg van een toename van de interne weerstand van de cellen als gevolg van de vorming van meer sulfaat, dat zich vult de poriën van de platen en de verwijdering van zuur uit de elektrolyt. Kort voor het begin van de stroomtoevoer is de dichtheid van de elektrolyt maximaal en gelijk aan 1.300 g/cm3. In het begin vindt de verdunning ervan snel plaats, maar dan wordt een evenwichtige toestand tot stand gebracht tussen de dichtheid van het zuur nabij de platen en in het hoofdvolume van de elektrolyt, de verwijdering van zuur door de elektroden wordt ondersteund door de toevoer van nieuwe delen van de zuur uit het grootste deel van de elektrolyt. In dit geval is de gemiddelde dichtheid van de elektrolytblijft gestaag afnemen volgens de afhankelijkheid getoond in Fig. hoger. Na de eerste daling neemt de spanning langzamer af, de snelheid van afname hangt af van de belasting van de batterij. De tijdgrafiek van het ontladingsproces wordt getoond in Fig. hieronder.
Bewaking van de toestand van het elektrolyt in de batterij
Een hydrometer wordt gebruikt om de dichtheid te bepalen. Het bestaat uit een kleine verzegelde glazen buis met een uitzetting aan de onderkant gevuld met schot of kwik en een schaalverdeling aan de bovenkant. Deze schaal is gelabeld van 1.100 tot 1.300 met verschillende waarden ertussen, zoals weergegeven in Fig. onderstaand. Als deze hydrometer in een elektrolyt wordt geplaatst, zal deze tot een bepaalde diepte zinken. Daarbij zal het een bepaald volume elektrolyt verdringen en wanneer een evenwichtspositie is bereikt, zal het gewicht van het verplaatste volume eenvoudigweg gelijk zijn aan het gewicht van de hydrometer. Aangezien de dichtheid van de elektrolyt gelijk is aan de verhouding van zijn gewicht tot volume, en het gewicht van de hydrometer bekend is, komt elk niveau van zijn onderdompeling in de oplossing overeen met een bepaalde dichtheid.
Sommige hydrometers hebben geen schaal met dichtheidswaarden, maar zijn gemarkeerd met de inscripties: "Geladen", "Halfontlading", "Volledige ontlading" of iets dergelijks.
