L'acido solforico diluito e concentrato sono sostanze chimiche così importanti che il mondo ne produce più di qualsiasi altra sostanza. La ricchezza economica di un paese può essere misurata dalla quantità di acido solforico che produce.
Processo di dissociazione
L'acido solforico viene utilizzato sotto forma di soluzioni acquose di varie concentrazioni. Subisce una reazione di dissociazione in due fasi, producendo ioni H+ in soluzione.
H2SO4 =H+ + HSO4 -;
HSO4- =H + + SO4 -2.
L'acido solforico è forte e il primo stadio della sua dissociazione è così intenso che quasi tutte le molecole originali si decompongono in H+ -ioni e HSO 4-1 -ioni (idrosolfato) in soluzione. Questi ultimi decadono parzialmente ulteriormente, rilasciando un altro ione H+ e lasciando uno ione solfato (SO4-2) in soluzione. Tuttavia, l'idrogeno solforato, essendo un acido debole, prevale ancora.in soluzione su H+ e SO4-2. La sua completa dissociazione avviene solo quando la densità della soluzione di acido solforico si avvicina alla densità dell'acqua, cioè con forte diluizione.
Proprietà dell'acido solforico
È speciale in quanto può agire come un acido normale o come un forte agente ossidante, a seconda della sua temperatura e concentrazione. Una soluzione diluita a freddo di acido solforico reagisce con i metalli attivi per formare un sale (solfato) e rilasciare idrogeno gassoso. Ad esempio, la reazione tra la diluizione a freddo H2SO4 (assumendo la sua completa dissociazione a due stadi) e lo zinco metallico si presenta così:
Zn + H2SO4 = ZnSO4+ H2.
L'acido solforico concentrato a caldo, con una densità di circa 1,8 g/cm3, può agire come agente ossidante, reagendo con materiali normalmente inerti agli acidi, come come rame metallico. Durante la reazione, il rame viene ossidato e la massa dell'acido diminuisce, si forma una soluzione di solfato di rame (II) in acqua e anidride solforosa gassosa (SO2) al posto dell'idrogeno, che ci si aspetterebbe quando l'acido reagisce con il metallo.
Cu + 2H2SO4 =CuSO4 + SO 2 + 2H2 O.
Come viene generalmente espressa la concentrazione delle soluzioni
In re altà, la concentrazione di qualsiasi soluzione può essere espressa in diversimodi, ma la concentrazione di peso più utilizzata. Mostra il numero di grammi di un soluto in una data massa o volume di una soluzione o solvente (solitamente 1000 g, 1000 cm3, 100 cm3 e 1 rem 3). Invece della massa di una sostanza in grammi, puoi prendere la sua quantità espressa in moli - quindi ottieni la concentrazione molare per 1000 go 1 dm3 soluzione.
Se la concentrazione molare è definita in relazione non alla quantità della soluzione, ma solo al solvente, allora si parla di molalità della soluzione. È caratterizzato dall'indipendenza dalla temperatura.
Spesso la concentrazione in peso è indicata in grammi per 100 g di solvente. Moltiplicando questa cifra per il 100%, la ottieni in percentuale di peso (concentrazione percentuale). È questo metodo che viene utilizzato più spesso in applicazione alle soluzioni di acido solforico.
Ciascun valore della concentrazione di una soluzione determinata ad una data temperatura corrisponde alla sua densità molto specifica (ad esempio, la densità di una soluzione di acido solforico). Pertanto, a volte la soluzione si caratterizza proprio per questo. Ad esempio, una soluzione di H2SO4, caratterizzata da una concentrazione percentuale del 95,72%, ha una densità di 1,835 g/cm 3 a t=20 °С. Come determinare la concentrazione di una tale soluzione, se viene data solo la densità dell'acido solforico? Una tabella che fornisce tale corrispondenza è parte integrante di qualsiasi libro di testo di chimica generale o analitica.
Esempio di conversione della concentrazione
Cerchiamo di passare da un modo di esprimere la concentrazionesoluzione ad un altro. Supponiamo di avere una soluzione di H2SO4 in acqua con una concentrazione percentuale del 60%. Innanzitutto, determiniamo la densità corrispondente dell'acido solforico. Di seguito è mostrata una tabella contenente le concentrazioni percentuali (prima colonna) e le densità corrispondenti di una soluzione acquosa di H2SO4 (quarta colonna).
Da esso determiniamo il valore desiderato, che è pari a 1, 4987 g/cm3. Calcoliamo ora la molarità di questa soluzione. Per fare ciò, è necessario determinare la massa di H2SO4 in 1 litro di soluzione e il corrispondente numero di moli di acido
Volume occupato da 100 g di soluzione madre:
100 / 1, 4987=66,7 ml.
Poiché 66,7 millilitri di una soluzione al 60% contengono 60 g di acido, 1 litro conterrà:
(60 / 66, 7) x 1000=899,55
Il peso molare dell'acido solforico è 98. Quindi, il numero di moli contenute in 899,55 g dei suoi grammi sarà:
899, 55 / 98=9, 18 mol.
La dipendenza della densità dell'acido solforico dalla concentrazione è mostrata in fig. sotto.
Usare acido solforico
Si applica in vari settori. Nella produzione di ferro e acciaio, viene utilizzato per pulire la superficie del metallo prima che venga rivestito con un' altra sostanza, è coinvolto nella creazione di coloranti sintetici, oltre ad altri tipi di acidi, come cloridrico e nitrico. Anche leiutilizzato nella produzione di prodotti farmaceutici, fertilizzanti ed esplosivi, ed è anche un importante reagente nella rimozione delle impurità dal petrolio nell'industria della raffinazione del petrolio.
Questa sostanza chimica è incredibilmente utile in casa ed è prontamente disponibile come soluzione di acido solforico usata nelle batterie al piombo (come quelle che si trovano nelle automobili). Un tale acido ha tipicamente una concentrazione compresa tra circa il 30% e il 35% H2SO 4 in peso, mentre il resto è acqua.
Per molte applicazioni domestiche, il 30% H2SO4 sarà più che sufficiente per soddisfare le tue esigenze. Tuttavia, l'industria richiede anche una concentrazione molto più elevata di acido solforico. Solitamente, durante il processo produttivo, risulta dapprima abbastanza diluito e contaminato da impurità organiche. L'acido concentrato si ottiene in due fasi: prima viene portato al 70%, poi - nella seconda fase - viene portato al 96-98%, che è il limite per una produzione economicamente sostenibile.
Densità dell'acido solforico e dei suoi gradi
Sebbene quasi il 99% di acido solforico possa essere ottenuto brevemente mediante ebollizione, la successiva perdita di SO3 al punto di ebollizione riduce la concentrazione al 98,3%. In generale, la varietà al 98% è più stabile nello stoccaggio.
I gradi commerciali di acido differiscono per la sua concentrazione percentuale e per essi vengono scelti quei valori a cui le temperature di cristallizzazione sono minime. Questo viene fatto per ridurre la precipitazione dei cristalli di acido solforico.sedimenti durante il trasporto e lo stoccaggio. Le varietà principali sono:
- Torre (azoto) - 75%. La densità dell'acido solforico di questo grado è 1670 kg/m3. Prendilo così. metodo nitroso, in cui il gas di torrefazione ottenuto durante la tostatura di materie prime primarie, contenente anidride solforosa SO2, in torri rivestite (da cui il nome della varietà) viene trattato con azoto (questo è anche H2 SO4, ma con ossidi di azoto disciolti in esso). Di conseguenza si liberano acido e ossidi di azoto, che non vengono consumati nel processo, ma vengono reimmessi nel ciclo produttivo.
- Contatto - 92, 5-98, 0%. La densità del 98% di acido solforico di questo grado è 1836,5 kg/m3. Si ottiene anche dal gas di tostatura contenente SO2, e il processo include l'ossidazione del biossido ad anidride SO3 quando viene a contatto (quindi il nome della varietà) con diversi strati di catalizzatore solido al vanadio.
- Oleum - 104,5%. La sua densità è 1896,8 kg/m3. Questa è una soluzione di SO3 in H2SO4, in cui il primo componente contiene 20 % e acidi: esattamente 104,5%.
- Oleum ad alta percentuale - 114,6%. La sua densità è 2002 kg/m3.
- Batteria - 92-94%.
Come funziona la batteria di un'auto
Il funzionamento di questo uno dei dispositivi elettrici più massicci è completamente basato su processi elettrochimici che avvengono in presenza di una soluzione acquosa di acido solforico.
La batteria dell'auto contiene elettrolita di acido solforico diluito eelettrodi positivi e negativi sotto forma di più piastre. Le piastre positive sono fatte di un materiale bruno-rossastro - biossido di piombo (PbO2), e le piastre negative sono fatte di piombo grigiastro "spugnoso" (Pb).
Poiché gli elettrodi sono fatti di piombo o materiale contenente piombo, questo tipo di batteria viene spesso definito batteria al piombo. Le sue prestazioni, ovvero l'entità della tensione di uscita, sono determinate direttamente dalla densità di corrente dell'acido solforico (kg/m3 o g/cm3) inserito nella batteria come elettrolita.
Cosa succede all'elettrolito quando la batteria è scarica
L'elettrolita della batteria al piombo è una soluzione di acido solforico della batteria in acqua distillata chimicamente pura ad una concentrazione del 30% quando è completamente carica. Un acido puro ha una densità di 1.835 g/cm3, un elettrolita è di circa 1.300 g/cm3. Quando la batteria si scarica, al suo interno si verificano reazioni elettrochimiche, a seguito delle quali l'acido solforico viene prelevato dall'elettrolita. La densità della concentrazione della soluzione dipende in modo quasi proporzionale, quindi dovrebbe diminuire a causa di una diminuzione della concentrazione dell'elettrolita.
Finché la corrente di scarica scorre attraverso la batteria, l'acido vicino ai suoi elettrodi viene utilizzato attivamente e l'elettrolita diventa sempre più diluito. La diffusione dell'acido dal volume dell'intero elettrolita e alle piastre degli elettrodi mantiene un'intensità approssimativamente costante delle reazioni chimiche e, di conseguenza, l'uscitavoltaggio.
All'inizio del processo di scarica, la diffusione dell'acido dall'elettrolita nelle piastre avviene rapidamente perché il solfato risultante non ha ancora ostruito i pori del materiale attivo degli elettrodi. Quando il solfato inizia a formarsi ea riempire i pori degli elettrodi, la diffusione avviene più lentamente.
In teoria, puoi continuare la scarica fino a quando tutto l'acido non è esaurito e l'elettrolito è acqua pura. Tuttavia, l'esperienza mostra che le scariche non dovrebbero continuare dopo che la densità dell'elettrolita è scesa a 1.150 g/cm3.
Quando la densità scende da 1.300 a 1.150, significa che durante le reazioni si è formato tanto solfato, che riempie tutti i pori dei materiali attivi delle piastre, cioè quasi tutto acido solforico. La densità dipende dalla concentrazione in modo proporzionale, e allo stesso modo la carica della batteria dipende dalla densità. Sulla fig. La dipendenza della carica della batteria dalla densità dell'elettrolito è mostrata di seguito.
La modifica della densità dell'elettrolita è il mezzo migliore per determinare lo stato di scarica di una batteria, a condizione che venga utilizzata correttamente.
Gradi di scarica della batteria di un'auto a seconda della densità dell'elettrolita
La sua densità dovrebbe essere misurata ogni due settimane e le letture dovrebbero essere registrate continuamente per riferimento futuro.
Più denso è l'elettrolito, più acido contiene e più carica è la batteria. Densità in 1.300-1.280 g/cm3indica la carica completa. Di norma, a seconda della densità dell'elettrolita, si distinguono i seguenti gradi di scarica della batteria:
- 1, 300-1, 280 - completamente carica:
- 1, 280-1, 200 - più della metà vuota;
- 1, 200-1, 150 - meno della metà;
- 1, 150 - quasi vuoto.
Una batteria completamente carica ha una tensione da 2,5 a 2,7 volt per cella prima di essere collegata alla rete dell'auto Non appena viene collegato un carico, la tensione scende rapidamente a circa 2,1 volt in tre o quattro minuti. Ciò è dovuto alla formazione di un sottile strato di solfato di piombo sulla superficie delle piastre degli elettrodi negativi e tra lo strato di perossido di piombo e il metallo delle piastre positive. Il valore finale della tensione della cella dopo il collegamento alla rete dell'auto è di circa 2,15-2,18 volt.
Quando la corrente inizia a fluire attraverso la batteria durante la prima ora di funzionamento, si verifica una caduta di tensione fino a 2 V, dovuta ad un aumento della resistenza interna delle celle dovuto alla formazione di altro solfato, che va a riempirsi i pori delle piastre e la rimozione dell'acido dall'elettrolita. Poco prima dell'inizio del flusso di corrente, la densità dell'elettrolita è massima e pari a 1.300 g/cm3. All'inizio la sua rarefazione avviene rapidamente, ma poi si stabilisce uno stato di equilibrio tra la densità dell'acido vicino alle piastre e nel volume principale dell'elettrolita, la rimozione dell'acido da parte degli elettrodi è supportata dall'alimentazione di nuove parti dell'elettrolita acido dalla parte principale dell'elettrolita. In questo caso, la densità media dell'elettrolitacontinua a diminuire costantemente secondo la dipendenza mostrata in Fig. più alto. Dopo la caduta iniziale, la tensione diminuisce più lentamente, il tasso di diminuzione a seconda del carico sulla batteria. Il grafico temporale del processo di scarico è mostrato in fig. sotto.
Monitoraggio dello stato dell'elettrolito nella batteria
Un densimetro viene utilizzato per determinare la densità. È costituito da un tubicino di vetro sigillato con un'espansione all'estremità inferiore riempita di pallini o mercurio e una scala graduata all'estremità superiore. Questa scala è etichettata da 1.100 a 1.300 con vari valori intermedi, come mostrato in Fig. sotto. Se questo densimetro viene posizionato in un elettrolita, affonderà a una certa profondità. In tal modo, sposterà un certo volume di elettrolita e, quando viene raggiunta una posizione di equilibrio, il peso del volume spostato sarà semplicemente uguale al peso dell'idrometro. Poiché la densità dell'elettrolita è uguale al rapporto tra il suo peso e il volume, ed è noto il peso dell'idrometro, ogni livello della sua immersione nella soluzione corrisponde a una certa densità.
Alcuni idrometri non hanno una scala con i valori di densità, ma sono contrassegnati con le scritte: "Charged", "Half-scarica", "Full-scarica" o simili.
