A híg és tömény kénsav olyan fontos vegyi anyagok, hogy a világ többet termel belőlük, mint bármely más anyag. Egy ország gazdasági gazdagsága az általa előállított kénsav mennyiségével mérhető.
Leválasztási folyamat
A kénsavat különféle koncentrációjú vizes oldatok formájában használják. Két lépésben megy keresztül a disszociációs reakción, és oldatban H+ ionokat termel.
H2SO4 =H+ + HSO4 -;
HSO4- =H + + SO4 -2.
A kénsav erős, és disszociációjának első szakasza olyan intenzív, hogy szinte az összes eredeti molekula lebomlik H+-ionokra és HSO 4-1 -ion (hidroszulfát) oldatban. Ez utóbbi részben tovább bomlik, újabb H+-iont szabadít fel, és egy szulfátiont hagy maga után (SO4-2) oldatban. A hidrogén-szulfát azonban, mivel gyenge sav, továbbra is érvényesül.megoldásban H+ és SO4-2. Teljes disszociációja csak akkor következik be, ha a kénsav oldat sűrűsége megközelíti a víz sűrűségét, vagyis erős hígítás esetén.
A kénsav tulajdonságai
Különleges abban, hogy hőmérsékletétől és koncentrációjától függően normál savként vagy erős oxidálószerként is működhet. A kénsav hideg híg oldata reakcióba lép aktív fémekkel, sót (szulfátot) képezve, és hidrogéngázt szabadít fel. Például a hideg híg H2SO4 (feltételezve annak teljes kétlépcsős disszociációját) és a fémes cink közötti reakció így néz ki:
Zn + H2SO4 = ZnSO4+ H2.
Körülbelül 1,8 g/cm sűrűségű forró tömény kénsav3, oxidálószerként működhet, reakcióba léphet olyan anyagokkal, amelyek általában közömbösek a savakkal szemben, mint pl. mint a fémes réz. A reakció során a réz oxidálódik, a sav tömege csökken, hidrogén helyett réz(II)-szulfát vizes oldata és gázhalmazállapotú kén-dioxid (SO2) képződik, ami akkor várható, ha a sav reagál fémmel.
Cu + 2H2SO4 =CuSO4 + SO 2 + 2H2 O.
Hogyan fejezik ki általában az oldatok koncentrációját
Tulajdonképpen bármely oldat koncentrációja különböző értékekkel fejezhető kimódokon, de a legszélesebb körben alkalmazott súlykoncentráció. Megmutatja az oldott anyag grammok számát egy adott tömegű vagy térfogatú oldatban vagy oldószerben (általában 1000 g, 1000 cm3, 100 cm3 és 1 dm 3). Egy anyag grammban kifejezett tömege helyett veheti a mennyiségét molban kifejezve - akkor megkapja a moláris koncentrációt 1000 g-ra vagy 1 dm-re3 oldat.
Ha a moláris koncentrációt nem az oldat mennyiségéhez, hanem csak az oldószerhez viszonyítva határozzuk meg, akkor ezt az oldat molalitásának nevezzük. A hőmérséklettől való függetlenség jellemzi.
A tömegkoncentrációt gyakran grammban adják meg 100 g oldószerben. Ezt a számot 100%-kal megszorozva tömegszázalékban (százalékos koncentrációban) kapjuk meg. Ezt a módszert használják leggyakrabban kénsavoldatokhoz.
Egy oldat koncentrációjának adott hőmérsékleten meghatározott értékei megfelelnek annak nagyon specifikus sűrűségének (például kénsavoldat sűrűségének). Ezért néha a megoldást pontosan az jellemzi. Például a H2SO4 oldatának, amelyet 95,72%-os százalékos koncentráció jellemez, a sűrűsége 1,835 g/cm 3 t=20 °С-on. Hogyan határozható meg egy ilyen oldat koncentrációja, ha csak a kénsav sűrűségét adjuk meg? Az ilyen megfeleltetést adó táblázat minden általános vagy analitikus kémia tankönyv szerves részét képezi.
Példa a koncentráció konverziójára
Próbáljunk elmozdulni a koncentráció kifejezésének egyik módjárólmegoldást egy másikra. Tegyük fel, hogy van H2SO4 60%-os vízben készült oldata. Először is meghatározzuk a megfelelő kénsav sűrűséget. Az alábbiakban látható egy táblázat, amely tartalmazza a H2SO4 (negyedik oszlop) vizes oldatának százalékos koncentrációit (első oszlop) és azok sűrűségét.
Ebből határozzuk meg a kívánt értéket, ami egyenlő 1, 4987 g/cm3. Számítsuk ki ennek az oldatnak a molaritását. Ehhez meg kell határozni a H2SO4 tömegét 1 literben oldat és a megfelelő mennyiségű sav mol.
100 g törzsoldat által elfogl alt térfogat:
100/1, 4987=66,7 ml.
Mivel 66,7 milliliter 60%-os oldat 60 g savat tartalmaz, ebből 1 liter a következőket tartalmazza:
(60/66, 7) x 1000=899,55
A kénsav móltömege 98. Így a kénsav 899,55 g-jában található mólszám a következő lesz:
899, 55/98=9, 18 mol.
A kénsav sűrűségének a koncentrációtól való függését az ábra mutatja. alább.
Kénsav használata
Különböző iparágakban alkalmazzák. A vas- és acélgyártás során a fém felületének megtisztítására szolgál, mielőtt más anyaggal bevonnák, részt vesz szintetikus színezékek, valamint más típusú savak, például sósav és salétromsav létrehozásában. Ő isgyógyszerek, műtrágyák és robbanóanyagok gyártásában használják, és az olajfinomító iparban az olaj szennyeződéseinek eltávolításában is fontos reagens.
Ez a vegyszer hihetetlenül hasznos az otthonokban, és könnyen beszerezhető kénsav oldatként, amelyet ólom-savas akkumulátorokban használnak (mint például az autókban). Az ilyen sav koncentrációja általában körülbelül 30-35 tömeg% H2SO 4, a többi víz.
Sok otthoni alkalmazáshoz a 30% H2SO4 több mint elég lesz az Ön igényeinek kielégítésére. Az ipar azonban sokkal nagyobb kénsavkoncentrációt is igényel. Általában a gyártási folyamat során először kiderül, hogy meglehetősen híg és szerves szennyeződésekkel szennyezett. A tömény savat két lépésben állítják elő: először 70%-ra, majd - a második lépésben - 96-98%-ra emelik, ami a gazdaságos termelés határa.
A kénsav sűrűsége és minőségei
Bár csaknem 99%-os kénsavat kaphatunk rövid ideig forralással, az ezt követő SO3 forrásponti vesztesége a koncentrációt 98,3%-ra csökkenti. Általában a 98%-os fajta stabilabb a tárolás során.
A kereskedelmi forgalomban kapható savak százalékos koncentrációjában különböznek, és ezeknél azokat az értékeket választják, amelyeknél a kristályosodási hőmérséklet minimális. Ennek célja a kénsavkristályok kicsapódásának csökkentése.hordalékot a szállítás és tárolás során. A főbb fajták:
- Torony (nitrogéntartalmú) - 75%. Az ilyen minőségű kénsav sűrűsége 1670 kg/m3. Szerezd meg ún. nitrózus módszer, melynek során az elsődleges nyersanyagok SO2 kén-dioxidot tartalmazó pörkölés során nyert pörkölőgázt bélelt tornyokban (innen a fajtanév) salétromsavval kezelik (ezt szintén H2 SO4, de benne oldott nitrogén-oxidokkal). Ennek eredményeként sav és nitrogén-oxidok szabadulnak fel, amelyek nem fogyasztódnak el a folyamatban, hanem visszakerülnek a gyártási ciklusba.
- Kapcsolat - 92, 5-98, 0%. Az ilyen minőségű 98%-os kénsav sűrűsége 1836,5 kg/m3. SO2 tartalmú pörkölőgázból is nyerik, és az eljárás magában foglalja a dioxid SO3 anhidriddé történő oxidációját, amikor érintkezésbe kerül (tehát a fajta neve) több réteg szilárd vanádium katalizátorral.
- Oleum - 104,5%. Sűrűsége 1896,8 kg/m3. Ez a SO3 megoldása a H2SO4-ban, amelyben az első komponens 20-at tartalmaz. %, a savak pedig pontosan 104,5%.
- Magas százalékos óleum - 114,6%. Sűrűsége 2002 kg/m3.
- Akkumulátor – 92-94%.
Hogyan működik az autó akkumulátora
Ennek az egyik legnagyobb tömegű elektromos készüléknek a működése teljes mértékben a kénsav vizes oldatának jelenlétében végbemenő elektrokémiai folyamatokon alapul.
Az autó akkumulátora híg kénsavas elektrolitot éspozitív és negatív elektródák több lemez formájában. A pozitív lemezek vörösesbarna anyagból - ólom-dioxidból (PbO2), a negatív lemezek pedig szürkés "szivacsos" ólomból (Pb) készülnek.
Mivel az elektródák ólomból vagy ólomtartalmú anyagból készülnek, az ilyen típusú akkumulátorokat gyakran ólom-savas akkumulátornak nevezik. Teljesítményét, azaz a kimeneti feszültség nagyságát közvetlenül az akkumulátorba elektrolitként töltött kénsav áramsűrűsége (kg/m3 vagy g/cm3) határozza meg.
Mi történik az elektrolittal, ha az akkumulátor lemerül
Az ólom-savas akkumulátor elektrolit az akkumulátor kénsavának vegytiszta desztillált vízben készült oldata, amelynek koncentrációja teljesen feltöltött állapotban 30%. A tiszta sav sűrűsége 1,835 g/cm3, az elektrolit körülbelül 1,300 g/cm3. Az akkumulátor lemerülésekor elektrokémiai reakciók mennek végbe benne, melynek eredményeként kénsavat vesznek fel az elektrolitból. Az oldatkoncentráció sűrűsége szinte arányosan függ, ezért az elektrolitkoncentráció csökkenése miatt csökkennie kell.
Amíg a kisülési áram átfolyik az akkumulátoron, az elektródák közelében lévő sav aktívan felhasználódik, és az elektrolit egyre hígabb lesz. A savnak a teljes elektrolit térfogatából és az elektródalemezekre történő diffúziója a kémiai reakciók megközelítőleg állandó intenzitását tartja fenn, és ennek eredményeként a kibocsátást.feszültség.
A kisülési folyamat elején a sav diffúziója az elektrolitból a lemezekbe gyorsan megtörténik, mivel a keletkező szulfát még nem tömítette el az elektródák aktív anyagában lévő pórusokat. Ahogy a szulfát elkezd képződni és kitölti az elektródák pórusait, a diffúzió lassabban megy végbe.
Elméletileg addig folytathatja a kisütést, amíg az összes sav el nem fogy, és az elektrolit tiszta víz lesz. A tapasztalat azonban azt mutatja, hogy a kisüléseknek nem szabad folytatódniuk, miután az elektrolit sűrűsége 1,150 g/cm3.
Amikor a sűrűség 1300-ról 1150-re csökken, ez azt jelenti, hogy a reakciók során annyi szulfát keletkezett, és ez kitölti a lemezeken lévő aktív anyagok összes pórusát, azaz szinte az összes kénsavat. A sűrűség arányosan függ a koncentrációtól, és ugyanígy az akkumulátor töltöttsége is a sűrűségtől. ábrán Az akkumulátor töltöttségének az elektrolit sűrűségétől való függése az alábbiakban látható.
Az elektrolit sűrűségének megváltoztatása a legjobb módszer az akkumulátor kisülési állapotának meghatározására, feltéve, hogy megfelelően használják.
Az autó akkumulátorának kisülési foka az elektrolit sűrűségétől függően
Sűrűségét kéthetente meg kell mérni, és a leolvasott értékeket folyamatosan fel kell jegyezni a későbbi referencia céljából.
Minél sűrűbb az elektrolit, annál több savat tartalmaz, és annál jobban van töltve az akkumulátor. Sűrűség 1.300-1.280 g/cm3teljes töltöttséget jelez. Az elektrolit sűrűségétől függően általában a következő akkumulátorkisülési fokozatokat különböztetjük meg:
- 1, 300-1, 280 – teljesen feltöltve:
- 1, 280-1, 200 - több mint félig üres;
- 1, 200-1, 150 - kevesebb, mint félig tele;
- 1, 150 – majdnem üres.
A teljesen feltöltött akkumulátor cellánkénti feszültsége 2,5–2,7 V, mielőtt az autó hálózatára csatlakozik. Amint egy terhelést csatlakoztatnak, a feszültség három-négy percen belül gyorsan 2,1 V-ra csökken. Ez annak köszönhető, hogy vékony ólom-szulfátréteg képződik a negatív elektródalemezek felületén, valamint az ólom-peroxid réteg és a pozitív lemezek fémje között. A cella feszültségének végső értéke az autóhálózathoz való csatlakozás után körülbelül 2,15-2,18 volt.
Amikor a működés első órájában áram kezd átfolyni az akkumulátoron, a feszültség 2 V-ra csökken, mivel a cellák belső ellenállása megnövekszik a több szulfát képződése miatt, ami feltölt a lemezek pórusait, és a sav eltávolítását az elektrolitból. Röviddel az áram áramlása előtt az elektrolit sűrűsége maximális, és egyenlő 1.300 g/cm3. Eleinte gyorsan megtörténik a ritkulása, de aztán kiegyensúlyozott állapot jön létre a lemezek közelében lévő sav sűrűsége és az elektrolit főtérfogata között, a sav elektródák általi eltávolítását az új alkatrészek bejuttatása támogatja. sav az elektrolit fő részéből. Ebben az esetben az elektrolit átlagos sűrűségeábrán látható függésnek megfelelően folyamatosan csökken. magasabb. A kezdeti csökkenés után a feszültség lassabban csökken, a csökkenés mértéke az akkumulátor terhelésétől függ. Az ürítési folyamat időgrafikonja az ábrán látható. alább.
Az akkumulátor elektrolit állapotának ellenőrzése
A sűrűség meghatározásához hidrométert használnak. Ez egy kisméretű, lezárt üvegcsőből áll, amelynek alsó végén tágulása van söréttel vagy higannyal, és egy beosztásos skála a felső végén. Ez a skála 1.100-tól 1.300-ig van címkézve, köztük különböző értékekkel, amint az az ábrán látható. lent. Ha ezt a hidrométert elektrolitba helyezzük, akkor bizonyos mélységig süllyed. Ennek során egy bizonyos térfogatú elektrolitot kiszorít, és amikor eléri az egyensúlyi helyzetet, az elmozdított térfogat tömege egyszerűen megegyezik a hidrométer tömegével. Mivel az elektrolit sűrűsége egyenlő tömegének és térfogatának arányával, és a hidrométer tömege ismert, az oldatba való bemerülésének minden szintje egy bizonyos sűrűségnek felel meg.
Egyes hidrométereken nincs sűrűségértékeket tartalmazó skála, hanem a következő feliratokkal vannak ellátva: "Töltve", "Félkisülés", "Teljes kisülés" vagy hasonló.
