Axit sunfuric loãng và đậm đặc là những chất hóa học quan trọng mà thế giới sản xuất ra nhiều hơn bất kỳ chất nào khác. Sự giàu có về kinh tế của một quốc gia có thể được đo lường bằng lượng axit sulfuric mà quốc gia đó tạo ra.
Quá trình phân ly
Axit sunfuric được sử dụng dưới dạng dung dịch nước với nhiều nồng độ khác nhau. Nó trải qua phản ứng phân ly theo hai bước, tạo ra ion H+trong dung dịch.
H2SO4=H++ HSO4-;
HSO4-=H++ SO4-2.
Axit sulfuric rất mạnh, và giai đoạn đầu của quá trình phân ly mạnh đến mức hầu như tất cả các phân tử ban đầu bị phân hủy thành H+-ions và HSO4 -1-ions (hydrosunfat) trong dung dịch. Phần sau phân rã thêm một phần, giải phóng một H+-ion khác và để lại một ion sunfat (SO4-2) trong dung dịch. Tuy nhiên, hydro sunfat, là một axit yếu, vẫn chiếm ưu thế.trong dung dịch hơn H+và SO4-2. Sự phân ly hoàn toàn của nó chỉ xảy ra khi tỷ trọng của dung dịch axit sulfuric gần với tỷ trọng của nước, nghĩa là với độ pha loãng mạnh.
Tính chất của axit sunfuric
Nó đặc biệt ở chỗ nó có thể hoạt động như một axit thông thường hoặc như một chất oxy hóa mạnh, tùy thuộc vào nhiệt độ và nồng độ của nó. Dung dịch axit sunfuric loãng nguội phản ứng với các kim loại hoạt động tạo thành muối (sunfat) và giải phóng khí hiđro. Ví dụ, phản ứng giữa H2SO4(giả sử phân ly hoàn toàn ở hai giai đoạn) và kẽm kim loại có dạng như sau:
Zn + H2SO4= ZnSO4+ H2.
Axit sunfuric đặc nóng, với mật độ khoảng 1,8 g / cm3, có thể hoạt động như một chất oxy hóa, phản ứng với các vật liệu thường trơ với axit, chẳng hạn như như đồng kim loại. Trong quá trình phản ứng, đồng bị oxi hóa và khối lượng của axit giảm, dung dịch đồng (II) sunfat trong nước và lưu huỳnh đioxit ở dạng khí (SO2) thay vì hydro được tạo thành, dự kiến sẽ xảy ra khi axit phản ứng với kim loại.
Cu + 2H2SO4=CuSO4+ SO2+ 2H2O.
Nồng độ của các dung dịch thường được biểu thị như thế nào
Trên thực tế, nồng độ của bất kỳ dung dịch nào có thể được biểu thị bằngcách, nhưng nồng độ trọng lượng được sử dụng rộng rãi nhất. Nó cho biết số gam chất tan trong một khối lượng hoặc thể tích nhất định của dung dịch hoặc dung môi (thường là 1000 g, 1000 cm3, 100 cm3 và 1 dm3 ). Thay vì khối lượng của một chất bằng gam, bạn có thể lấy khối lượng của nó biểu thị bằng mol - sau đó bạn nhận được nồng độ mol trên 1000 g hoặc 1 dm3dung dịch.
Nếu nồng độ mol được xác định không liên quan đến lượng dung dịch mà chỉ liên quan đến dung môi, thì nó được gọi là nồng độ mol của dung dịch. Nó có đặc điểm là độc lập với nhiệt độ.
Thông thường, nồng độ trọng lượng được chỉ định bằng gam trên 100 g dung môi. Nhân con số này với 100%, bạn sẽ nhận được nó theo phần trăm trọng lượng (nồng độ phần trăm). Đây là phương pháp thường được sử dụng nhiều nhất trong ứng dụng với các dung dịch axit sunfuric.
Mỗi giá trị của nồng độ của dung dịch được xác định ở một nhiệt độ nhất định tương ứng với khối lượng riêng rất riêng của nó (ví dụ, khối lượng riêng của dung dịch axit sunfuric). Do đó, đôi khi giải pháp được đặc trưng chính xác bởi nó. Ví dụ, dung dịch H2SO4, được đặc trưng bởi nồng độ phần trăm là 95,72%, có khối lượng riêng là 1,835 g / cm 3ở t=20 ° С. Làm thế nào để xác định nồng độ của một dung dịch đó, nếu chỉ cho biết khối lượng riêng của axit sunfuric? Một bảng tương ứng như vậy là một phần không thể thiếu trong bất kỳ sách giáo khoa nào về hóa học phổ thông hoặc hóa học phân tích.
Ví dụ về chuyển đổi nồng độ
Hãy cố gắng chuyển từ một cách thể hiện sự tập trunggiải pháp khác. Giả sử chúng ta có một dung dịch H2SO4 trong nước với nồng độ phần trăm là 60%. Đầu tiên, chúng tôi xác định khối lượng riêng tương ứng của axit sunfuric. Bảng chứa nồng độ phần trăm (cột đầu tiên) và mật độ tương ứng của chúng trong dung dịch nước H2SO4(cột thứ tư) được hiển thị bên dưới.
Từ đó chúng tôi xác định giá trị mong muốn, bằng 1, 4987 g / cm3. Bây giờ chúng ta hãy tính nồng độ mol của dung dịch này. Để làm được điều này, cần xác định khối lượng của H2SO4 trong 1 lít dung dịch và số mol axit tương ứng.
Khối lượng chiếm 100 g dung dịch gốc:
100/1, 4987=66,7 ml.
Vì 66,7 mililit dung dịch 60% chứa 60 g axit nên 1 lít dung dịch đó sẽ chứa:
(60/66, 7) x 1000=899,55
Khối lượng mol của axit sunfuric là 98. Do đó, số mol có trong 899,55 gam gam của nó sẽ là:
899, 55/98=9, 18 mol.
Sự phụ thuộc của khối lượng riêng của axit sulfuric vào nồng độ được thể hiện trong hình. bên dưới.
Sử dụng axit sunfuric
Nó được ứng dụng trong nhiều ngành công nghiệp khác nhau. Trong sản xuất sắt và thép, nó được sử dụng để làm sạch bề mặt của kim loại trước khi nó được phủ một chất khác, nó tham gia vào việc tạo ra thuốc nhuộm tổng hợp, cũng như các loại axit khác, chẳng hạn như hydrochloric và nitric. Cô ấy cũngđược sử dụng trong sản xuất dược phẩm, phân bón và chất nổ, đồng thời cũng là thuốc thử quan trọng trong việc loại bỏ các tạp chất ra khỏi dầu trong công nghiệp lọc dầu.
Hóa chất này cực kỳ hữu ích trong gia đình, và có sẵn dưới dạng dung dịch axit sulfuric được sử dụng trong pin axit-chì (như loại dùng trong ô tô). Một loại axit như vậy thường có nồng độ khoảng 30% đến 35% H2SO4theo trọng lượng, phần còn lại là nước.
Đối với nhiều ứng dụng gia đình, 30% H2SO4sẽ là quá đủ để đáp ứng nhu cầu của bạn. Tuy nhiên, công nghiệp cũng yêu cầu nồng độ axit sunfuric cao hơn nhiều. Thông thường, trong quá trình sản xuất, đầu tiên nó sẽ khá loãng và bị nhiễm các tạp chất hữu cơ. Axit đậm đặc thu được trong hai giai đoạn: đầu tiên nó được đưa lên 70%, và sau đó - trong giai đoạn thứ hai - nó được nâng lên 96-98%, đây là giới hạn để sản xuất có hiệu quả kinh tế.
Tỷ trọng của axit sulfuric và các cấp của nó
Mặc dù có thể thu được gần như 99% axit sunfuric trong thời gian ngắn bằng cách đun sôi, sự mất mát sau đó của SO3ở điểm sôi làm giảm nồng độ xuống 98,3%. Nói chung, giống 98% ổn định hơn trong việc bảo quản.
Các loại axit thương mại khác nhau về nồng độ phần trăm của nó, và đối với chúng, những giá trị đó được chọn ở đó nhiệt độ kết tinh là nhỏ nhất. Điều này được thực hiện để giảm sự kết tủa của các tinh thể axit sulfuric.cặn lắng trong quá trình vận chuyển và bảo quản. Các giống chính là:
- Tháp (nitơ) - 75%. Khối lượng riêng của axit sunfuric loại này là 1670 kg / m3. Nhận nó được gọi là. phương pháp nitơ, trong đó khí rang thu được trong quá trình rang nguyên liệu thô sơ cấp, có chứa lưu huỳnh điôxít SO2, trong các tháp lót (do đó tên của giống) được xử lý bằng nitơ (điều này cũng là H2SO4, nhưng với các oxit nitơ hòa tan trong đó). Kết quả là, các oxit axit và nitơ được giải phóng, chúng không được tiêu thụ trong quá trình này mà được quay trở lại chu trình sản xuất.
- Liên hệ - 92, 5-98, 0%. Tỷ trọng của axit sunfuric 98% loại này là 1836,5 kg / m3. Nó cũng thu được từ việc nung khí có chứa SO2, và quá trình này bao gồm quá trình oxy hóa điôxít thành anhydrit SO3khi nó tiếp xúc (do đó tên của giống) với nhiều lớp chất xúc tác vanadi rắn.
- Oleum - 104,5%. Mật độ của nó là 1896,8 kg / m3. Đây là một dung dịch của SO3trong H2SO4, trong đó thành phần đầu tiên chứa 20 % và axit - chính xác là 104,5%.
- Phần trăm oleum cao - 114,6%. Mật độ của nó là 2002 kg / m3.
- Pin - 92-94%.
Cách hoạt động của ắc quy ô tô
Hoạt động của một trong những thiết bị điện khổng lồ nhất này hoàn toàn dựa trên các quá trình điện hóa xảy ra với sự có mặt của dung dịch nước axit sulfuric.
Ắc quy ô tô chứa chất điện phân axit sunfuric loãng vàđiện cực âm và dương ở dạng một số bản cực. Các bản cực dương được làm bằng vật liệu màu nâu đỏ - chì điôxít (PbO2) và các bản cực âm được làm bằng chì "xốp" màu xám (Pb).
Vì các điện cực được làm bằng chì hoặc vật liệu chứa chì, nên loại pin này thường được gọi là pin axit-chì. Hiệu suất của nó, tức là độ lớn của điện áp đầu ra, được xác định trực tiếp bởi mật độ dòng điện của axit sulfuric (kg / m3 hoặc g / cm3) được điền đầy vào pin như một chất điện phân.
Điều gì xảy ra với chất điện phân khi pin bị phóng điện
Chất điện phân ắc quy axít chì là dung dịch axít sulfuric của ắc quy trong nước cất tinh khiết về mặt hóa học ở nồng độ 30% khi được sạc đầy. Một axit nguyên chất có khối lượng riêng là 1,835 g / cm3, độ điện ly khoảng 1,300 g / cm3. Khi pin phóng điện, các phản ứng điện hóa diễn ra trong đó, do đó axit sulfuric được lấy từ chất điện phân. Mật độ của nồng độ dung dịch phụ thuộc gần như tỷ lệ thuận, vì vậy nó sẽ giảm do nồng độ chất điện ly giảm.
Chỉ cần dòng phóng điện chạy qua pin, axit gần các điện cực của nó sẽ được sử dụng tích cực, và chất điện phân ngày càng trở nên loãng hơn. Sự khuếch tán của axit từ thể tích của toàn bộ chất điện phân và đến các tấm điện cực duy trì cường độ phản ứng hóa học xấp xỉ không đổi và kết quả là đầu rađiện áp.
Khi bắt đầu quá trình phóng điện, sự khuếch tán axit từ chất điện phân vào các bản cực xảy ra nhanh chóng vì sunfat tạo thành vẫn chưa làm tắc các lỗ trong vật liệu hoạt động của điện cực. Khi sunfat bắt đầu hình thành và lấp đầy các lỗ của điện cực, quá trình khuếch tán xảy ra chậm hơn.
Về mặt lý thuyết, bạn có thể tiếp tục xả cho đến khi sử dụng hết axit và chất điện phân là nước tinh khiết. Tuy nhiên, kinh nghiệm cho thấy rằng không nên tiếp tục phóng điện sau khi khối lượng riêng của chất điện phân giảm xuống còn 1.150 g / cm3.
Khi mật độ giảm từ 1, 300 xuống 1, 150, điều này có nghĩa là rất nhiều sunfat đã được hình thành trong các phản ứng và nó lấp đầy tất cả các lỗ rỗng trong vật liệu hoạt động trên các tấm, tức là gần như tất cả axit sunfuric. Mật độ phụ thuộc vào nồng độ theo tỷ lệ, và theo cách tương tự, mức sạc pin cũng phụ thuộc vào mật độ. Trên hình. Sự phụ thuộc của điện tích pin vào mật độ chất điện phân được hiển thị bên dưới.
Thay đổi mật độ của chất điện phân là cách tốt nhất để xác định trạng thái phóng điện của pin, miễn là nó được sử dụng đúng cách.
Mức độ phóng điện của ắc quy ô tô tùy thuộc vào mật độ của chất điện phân
Mật độ của nó nên được đo hai tuần một lần và các kết quả đọc phải được ghi lại liên tục để tham khảo trong tương lai.
Chất điện phân càng đậm đặc, càng chứa nhiều axit, và càng sạc nhiều pin. Mật độ 1.300-1.280g / cm3 cho biết mức sạc đầy. Theo quy luật, các mức độ phóng điện sau của pin được phân biệt tùy thuộc vào mật độ của chất điện phân:
- 1, 300-1, 280 - đã sạc đầy:
- 1, 280-1, 200 - hơn một nửa trống;
- 1, 200-1, 150 - chưa đầy một nửa;
- 1, 150 - gần hết.
Pin được sạc đầy có điện áp từ 2,5 đến 2,7 vôn trên mỗi ô trước khi được kết nối với nguồn điện trên ô tô. Ngay sau khi tải được kết nối, điện áp nhanh chóng giảm xuống còn khoảng 2,1 vôn trong vòng ba hoặc bốn phút. Điều này là do sự hình thành của một lớp mỏng chì sunfat trên bề mặt của các tấm điện cực âm và giữa lớp peroxit chì và kim loại của các bản cực dương. Giá trị cuối cùng của điện áp tế bào sau khi kết nối với mạng ô tô là khoảng 2,15-2,18 vôn.
Khi dòng điện bắt đầu chạy qua pin trong giờ đầu tiên hoạt động, điện áp giảm xuống còn 2 V, do sự gia tăng điện trở bên trong của các tế bào do sự hình thành nhiều sunfat hơn, làm đầy lỗ rỗng của các tấm, và loại bỏ axit khỏi chất điện phân. Một thời gian ngắn trước khi bắt đầu dòng điện, khối lượng riêng của chất điện phân là cực đại và bằng 1.300 g / cm3. Lúc đầu, sự hiếm của nó xảy ra nhanh chóng, nhưng sau đó trạng thái cân bằng được thiết lập giữa mật độ của axit gần các tấm và trong thể tích chính của chất điện phân, việc loại bỏ axit bởi các điện cực được hỗ trợ bởi việc cung cấp các bộ phận mới của axit từ phần chính của bình điện phân. Trong trường hợp này, mật độ trung bình của chất điện phântiếp tục giảm dần theo sự phụ thuộc được chỉ ra trong Hình. cao hơn. Sau khi giảm ban đầu, điện áp giảm chậm hơn, tốc độ giảm tùy thuộc vào tải trên pin. Biểu đồ thời gian của quá trình phóng điện được thể hiện trong hình. bên dưới.
Giám sát trạng thái của chất điện phân trong pin
Tỷ trọng kế được sử dụng để xác định khối lượng riêng. Nó bao gồm một ống thủy tinh nhỏ được bịt kín có phần giãn nở ở đầu dưới chứa đầy thủy ngân và một thang chia độ ở đầu trên. Thang đo này được dán nhãn từ 1.100 đến 1.300 với các giá trị khác nhau ở giữa, như thể hiện trong Hình. phía dưới. Nếu tỷ trọng kế này được đặt trong bình điện phân, nó sẽ chìm xuống một độ sâu nhất định. Làm như vậy, nó sẽ dịch chuyển một thể tích chất điện phân nhất định, và khi đạt đến vị trí cân bằng, trọng lượng của thể tích bị dịch chuyển sẽ đơn giản bằng trọng lượng của tỷ trọng kế. Vì khối lượng riêng của chất điện phân bằng tỷ số giữa khối lượng của nó với thể tích và khối lượng của tỷ trọng kế đã biết, nên mỗi mức độ ngâm của chất điện phân trong dung dịch tương ứng với một khối lượng riêng nhất định.
Một số tỷ trọng kế không có thang đo với giá trị mật độ, nhưng được đánh dấu bằng dòng chữ: "Đã sạc", "xả một nửa", "xả hết" hoặc tương tự.
