Laimea ja tiivistetty rikkihappo ovat niin tärkeitä kemikaaleja, että maailma tuottaa niitä enemmän kuin muita aineita. Maan taloudellista vaurautta voidaan mitata sen tuottaman rikkihapon määrällä.
Dissosiaatioprosessi
Rikkihappoa käytetään eri pitoisuuksien vesiliuosten muodossa. Se käy läpi dissosiaatioreaktion kahdessa vaiheessa tuottaen H+ ioneja liuoksessa.
H2SO4 =H+ + HSO4 -;
HSO4- =H + + SO4 -2.
Rikkihappo on vahvaa, ja sen dissosioitumisen ensimmäinen vaihe on niin voimakas, että melkein kaikki alkuperäiset molekyylit hajoavat H+-ioneiksi ja HSO 4-1 -ioneja (hydrosulfaatti) liuoksessa. Jälkimmäinen hajoaa osittain edelleen vapauttaen toisen H+-ionin ja jättäen jäljelle sulfaatti-ionin (SO4-2) liuoksessa. Kuitenkin vetysulfaatti, joka on heikko happo, on edelleen vallitseva.ratkaisussa H+ ja SO4-2. Sen täydellinen dissosiaatio tapahtuu vain, kun rikkihappoliuoksen tiheys lähestyy veden tiheyttä, eli voimakkaalla laimennuksella.
Rikkihapon ominaisuudet
Se on erityinen, koska se voi toimia normaalina happona tai voimakkaana hapettimena riippuen sen lämpötilasta ja pitoisuudesta. Kylmä laimea rikkihapon liuos reagoi aktiivisten metallien kanssa muodostaen suolaa (sulfaattia) ja vapauttaa vetykaasua. Esimerkiksi kylmälaimean H2SO4 (olettaen sen täydellisen kaksivaiheisen dissosioitumisen) ja metallisen sinkin välinen reaktio näyttää tältä:
Zn + H2SO4 = ZnSO4+ H2.
Kuuma väkevä rikkihappo, jonka tiheys on noin 1,8 g/cm3, voi toimia hapettavana aineena reagoiden materiaalien kanssa, jotka ovat normaalisti inerttejä hapoille, kuten esim. kuin metallinen kupari. Reaktion aikana kupari hapettuu ja hapon massa pienenee, muodostuu vedyn sijasta kupari(II)sulfaatin liuosta vedessä ja kaasumaista rikkidioksidia (SO2), mikä olisi odotettavissa, kun happo reagoi metallin kanssa.
Cu + 2H2SO4 =CuSO4 + SO 2 + 2H2 O.
Miten liuoskonsentraatiot yleensä ilmaistaan
Itse asiassa minkä tahansa liuoksen pitoisuus voidaan ilmaista erilaisinatavoilla, mutta yleisimmin käytetty painopitoisuus. Se näyttää liuenneen aineen grammamäärän tietyssä liuoksen tai liuottimen massassa tai tilavuudessa (yleensä 1000 g, 1000 cm3, 100 cm3 ja 1 dm 3). Aineen grammomassan sijaan voit ottaa sen määrän mooliina - niin saat moolipitoisuuden 1000 g tai 1 dm3 liuosta.
Jos molaarinen pitoisuus määritellään suhteessa liuoksen määrään, vaan ainoastaan liuottimeen, niin sitä kutsutaan liuoksen molaaliseksi. Sille on ominaista riippumattomuus lämpötilasta.
Usein painopitoisuus ilmoitetaan grammoina 100 g:aa liuotinta kohti. Kun tämä luku kerrotaan 100 %:lla, saat sen painoprosentteina (pitoisuusprosentti). Tätä menetelmää käytetään useimmiten rikkihappoliuoksissa.
Jokainen tietyssä lämpötilassa määritetty liuoksen konsentraation arvo vastaa sen hyvin erityistä tiheyttä (esimerkiksi rikkihappoliuoksen tiheyttä). Siksi joskus ratkaisulle on ominaista juuri se. Esimerkiksi liuoksen H2SO4, jolle on tunnusomaista 95,72 %:n prosentuaalinen pitoisuus, tiheys on 1,835 g/cm 3 lämpötilassa t=20 °С. Kuinka määrittää tällaisen liuoksen pitoisuus, jos vain rikkihapon tiheys annetaan? Taulukko, jossa on tällainen vastaavuus, on olennainen osa kaikkia yleisen tai analyyttisen kemian oppikirjoja.
Esimerkki keskittymisen muuntamisesta
Yritetään siirtyä yhdestä tavasta ilmaista keskittymistäratkaisu toiseen. Oletetaan, että meillä on H2SO4 liuos vedessä, jonka prosenttipitoisuus on 60 %. Ensin määritetään vastaava rikkihapon tiheys. Alla on taulukko, joka sisältää H2SO4 (neljäs sarake) vesiliuoksen prosenttipitoisuudet (ensimmäinen sarake) ja niitä vastaavat tiheydet.
Siellä määritämme halutun arvon, joka on 1, 4987 g/cm3. Lasketaan nyt tämän liuoksen molaarisuus. Tätä varten on tarpeen määrittää H2SO4 1 litrassa liuos ja vastaava määrä happoa.
100 g:n varastoliuosta käyttämä tilavuus:
100 / 1, 4987=66,7 ml.
Koska 66,7 millilitraa 60-prosenttista liuosta sisältää 60 g happoa, 1 litra sitä sisältää:
(60 / 66, 7) x 1000=899,55
Rikkihapon moolimassa on 98. Näin ollen 899,55 g:ssa sen grammoja sisältämien moolien määrä on:
899, 55 / 98=9, 18 mol.
Rikkihapon tiheyden riippuvuus pitoisuudesta on esitetty kuvassa. alla.
Rikkihapon käyttäminen
Se on käytössä useilla toimialoilla. Raudan ja teräksen tuotannossa sitä käytetään metallin pinnan puhdistamiseen ennen sen pinnoittamista toisella aineella, se osallistuu synteettisten väriaineiden sekä muun tyyppisten happojen, kuten kloorivety- ja typpihappojen, luomiseen. Hän myöskäytetään lääkkeiden, lannoitteiden ja räjähteiden valmistuksessa, ja se on myös tärkeä reagenssi epäpuhtauksien poistamisessa öljystä öljynjalostusteollisuudessa.
Tämä kemikaali on uskomattoman hyödyllinen kotona, ja se on helposti saatavilla rikkihappoliuoksena, jota käytetään lyijyakuissa (kuten autoissa olevissa akuissa). Tällaisen hapon pitoisuus on tyypillisesti noin 30-35 painoprosenttia H2SO 4 painosta, loput on vettä.
Monissa kotisovelluksissa 30 % H2SO4 on enemmän kuin tarpeeksi tarpeisiisi. Teollisuus vaatii kuitenkin myös paljon korkeampaa rikkihappopitoisuutta. Yleensä tuotantoprosessin aikana se osoittautuu ensin melko laimeaksi ja orgaanisten epäpuhtauksien saastuttamaksi. Väkevöity happo saadaan kahdessa vaiheessa: ensin se nostetaan 70 prosenttiin ja sitten - toisessa vaiheessa - 96-98 prosenttiin, mikä on taloudellisesti kannattavan tuotannon raja.
Rikkihapon ja sen laatujen tiheys
Vaikka lähes 99 % rikkihappoa voidaan saada lyhyesti keittämällä, SO3 :n häviö kiehumispisteessä laskee pitoisuuden 98,3 %:iin. Yleensä 98 % lajike on vakaampi varastoinnissa.
Kaupalliset happolaadut eroavat prosenttipitoisuudeltaan, ja niille valitaan ne arvot, joissa kiteytyslämpötilat ovat minimaaliset. Tämä tehdään rikkihappokiteiden saostumisen vähentämiseksi.sedimenttiä kuljetuksen ja varastoinnin aikana. Tärkeimmät lajikkeet ovat:
- Tower (typpipitoinen) - 75 %. Tämän luokan rikkihapon tiheys on 1670 kg/m3. Hanki se ns. typpipitoinen menetelmä, jossa rikkidioksidia SO2 sisältävien pääraaka-aineiden pasutuksessa saatu paahtokaasu vuoratuissa torneissa (siis lajikkeen nimi) käsitellään typellä (tämä). on myös H2 SO4, mutta siihen on liuennut typen oksideja). Tämän seurauksena vapautuu happoa ja typen oksideja, joita ei kuluteta prosessissa, mutta jotka palautetaan tuotantokiertoon.
- Ota yhteyttä - 92, 5-98, 0 %. Tämän luokan 98-prosenttisen rikkihapon tiheys on 1836,5 kg/m3. Sitä saadaan myös pasutuskaasusta, joka sisältää SO2, ja prosessi sisältää dioksidin hapetuksen anhydridiksi SO3 , kun se joutuu kosketukseen (siis lajikkeen nimi) useilla kerroksilla kiinteää vanadiinikatalyyttiä.
- Oleum - 104,5 %. Sen tiheys on 1896,8 kg/m3. Tämä on SO3 ratkaisu H2SO4, jossa ensimmäinen komponentti sisältää 20 % ja hapot - täsmälleen 104,5 %.
- Suuri prosenttiosuus oleumia - 114,6 %. Sen tiheys on 2002 kg/m3.
- Akku – 92–94 %.
Kuinka auton akku toimii
Tämän yhden massiivimmista sähkölaitteista toiminta perustuu täysin sähkökemiallisiin prosesseihin, jotka tapahtuvat rikkihapon vesiliuoksen läsnä ollessa.
Auton akku sisältää laimennettua rikkihappoelektrolyyttiä japositiiviset ja negatiiviset elektrodit useiden levyjen muodossa. Positiiviset levyt on valmistettu punertavanruskeasta materiaalista - lyijydioksidista (PbO2), ja negatiiviset levyt harmahtavasta "sienimäisestä" lyijystä (Pb).
Koska elektrodit on valmistettu lyijystä tai lyijyä sisältävästä materiaalista, tämäntyyppisiä akkuja kutsutaan usein lyijyakuiksi. Sen suorituskyky, eli lähtöjännitteen suuruus, määräytyy suoraan akkuun elektrolyyttinä täytetyn rikkihapon virrantiheydestä (kg/m3 tai g/cm3).
Mitä tapahtuu elektrolyytille, kun akku tyhjenee
Lyijyakkuelektrolyytti on akun rikkihapon liuos kemiallisesti puhtaassa tislatussa vedessä, jonka pitoisuus on 30 % täyteen ladattuna. Puhtaan hapon tiheys on 1,835 g/cm3, elektrolyytin on noin 1,300 g/cm3. Kun akku tyhjenee, siinä tapahtuu sähkökemiallisia reaktioita, joiden seurauksena elektrolyytistä otetaan rikkihappoa. Liuoskonsentraation tiheys riippuu lähes suhteessa, joten sen pitäisi pienentyä elektrolyyttipitoisuuden laskun vuoksi.
Niin kauan kuin purkausvirta kulkee akun läpi, sen elektrodien lähellä olevaa happoa käytetään aktiivisesti ja elektrolyytti laimenee jatkuvasti. Hapon diffuusio koko elektrolyytin tilavuudesta ja elektrodilevyihin ylläpitää suunnilleen vakiona kemiallisten reaktioiden intensiteettiä ja sen seurauksena tehoa.jännite.
Purkkausprosessin alussa hapon diffuusio elektrolyytistä levyihin tapahtuu nopeasti, koska tuloksena oleva sulfaatti ei ole vielä tukkinut elektrodien aktiivisen materiaalin huokosia. Kun sulfaatti alkaa muodostua ja täyttää elektrodien huokoset, diffuusio tapahtuu hitaammin.
Teoriassa voit jatkaa purkamista, kunnes kaikki happo on käytetty ja elektrolyytti on puhdasta vettä. Kokemus osoittaa kuitenkin, että purkausten ei pitäisi jatkua sen jälkeen, kun elektrolyytin tiheys on pudonnut arvoon 1,150 g/cm3.
Kun tiheys putoaa 1 300:sta 1 150:een, tämä tarkoittaa, että reaktioiden aikana muodostui niin paljon sulfaattia, joka täyttää kaikki levyjen aktiivisten materiaalien huokoset, eli lähes kaiken rikkihapon. Tiheys riippuu pitoisuudesta suhteessa, ja samalla tavalla akun varaus riippuu tiheydestä. Kuvassa Akun varauksen riippuvuus elektrolyytin tiheydestä on esitetty alla.
Elektrolyytin tiheyden muuttaminen on paras tapa määrittää akun purkaustila, mikäli sitä käytetään oikein.
Auton akun purkausasteet elektrolyytin tiheydestä riippuen
Sen tiheys on mitattava kahden viikon välein ja lukemat tulee tallentaa jatkuvasti tulevaa käyttöä varten.
Mitä tiheämpi elektrolyytti on, sitä enemmän se sisältää happoa ja sitä ladatumpi akku on. Tiheys 1.300-1.280g/cm3ilmaisee täyden latauksen. Yleensä seuraavat akun purkautumisasteet erotetaan elektrolyytin tiheydestä riippuen:
- 1, 300-1, 280 - täyteen ladattu:
- 1, 280-1, 200 - yli puolityhjä;
- 1, 200-1, 150 - alle puolet täynnä;
- 1, 150 - melkein tyhjä.
Täysin ladatun akun jännite kennoa kohden on 2,5–2,7 volttia, ennen kuin se kytketään auton sähköverkkoon. Heti kun kuorma kytketään, jännite putoaa nopeasti noin 2,1 volttiin kolmessa tai neljässä minuutissa. Tämä johtuu ohuen lyijysulfaattikerroksen muodostumisesta negatiivisten elektrodilevyjen pinnalle ja lyijyperoksidikerroksen ja positiivisten levyjen metallin väliin. Kennojännitteen lopullinen arvo autoverkkoon kytkeytymisen jälkeen on noin 2,15-2,18 volttia.
Kun virta alkaa virrata akun läpi ensimmäisen käyttötunnin aikana, jännite putoaa 2 V:iin johtuen kennojen sisäisen resistanssin lisääntymisestä, koska sulfaattia muodostuu enemmän, mikä täyttää levyjen huokoset ja hapon poistaminen elektrolyytistä. Vähän ennen virran alkamista elektrolyytin tiheys on maksimi ja 1.300 g/cm3. Aluksi sen harvinaistuminen tapahtuu nopeasti, mutta sitten syntyy tasapainoinen tila levyjen lähellä olevan hapon tiheyden ja elektrolyytin päätilavuuden välille, hapon poistumista elektrodeilla tuetaan syöttämällä uusia osia happoa elektrolyytin pääosasta. Tässä tapauksessa elektrolyytin keskimääräinen tiheysjatkaa tasaista laskuaan kuvassa 2 esitetyn riippuvuuden mukaisesti. korkeampi. Alkupudotuksen jälkeen jännite laskee hitaammin, laskun nopeus riippuu akun kuormituksesta. Purkausprosessin aikakaavio on esitetty kuvassa. alla.
Akun elektrolyytin tilan valvonta
Tiheyden määrittämiseen käytetään hydrometriä. Se koostuu pienestä suljetusta lasiputkesta, jonka alapäässä on laajennus, joka on täytetty haulilla tai elohopealla, ja yläpäässä asteikko. Tämä asteikko on merkitty 1.100 - 1.300 eri arvoilla niiden välissä, kuten kuvasta näkyy. alla. Jos tämä hydrometri asetetaan elektrolyyttiin, se uppoaa tiettyyn syvyyteen. Näin tehdessään se syrjäyttää tietyn tilavuuden elektrolyyttiä, ja kun tasapainoasema saavutetaan, siirretyn tilavuuden paino on yksinkertaisesti yhtä suuri kuin hydrometrin paino. Koska elektrolyytin tiheys on yhtä suuri kuin sen painon suhde tilavuuteen ja hydrometrin paino tunnetaan, jokainen sen upotusaste liuokseen vastaa tiettyä tiheyttä.
Joissakin hydrometreissä ei ole asteikkoa tiheysarvoilla, mutta ne on merkitty kirjoilla: "Ladattu", "Puolipurkaus", "Täysi purkaus" tai vastaava.
