Atšķaidīta un koncentrēta sērskābe ir tik svarīgas ķīmiskas vielas, ka pasaulē tās ražo vairāk nekā jebkuras citas vielas. Valsts ekonomisko bagātību var izmērīt pēc tās saražotās sērskābes daudzuma.
Disociācijas process
Sērskābi izmanto dažādu koncentrāciju ūdens šķīdumu veidā. Tas tiek pakļauts disociācijas reakcijai divos posmos, šķīdumā veidojot H+ jonus.
H2SO4 =H+ + HSO4 -;
HSO4- =H + + SO4 -2.
Sērskābe ir spēcīga, un tās disociācijas pirmais posms ir tik intensīvs, ka gandrīz visas sākotnējās molekulas sadalās H+-jonos un HSO 4-1 -joni (hidrosulfāts) šķīdumā. Pēdējie daļēji sadalās tālāk, atbrīvojot vēl vienu H+-jonu un atstājot sulfāta jonu (SO4-2) šķīdumā. Tomēr ūdeņraža sulfāts, kas ir vāja skābe, joprojām dominē.risinājumā virs H+ un SO4-2. Tā pilnīga disociācija notiek tikai tad, kad sērskābes šķīduma blīvums tuvojas ūdens blīvumam, tas ir, ar spēcīgu atšķaidījumu.
Sērskābes īpašības
Tas ir īpašs ar to, ka atkarībā no temperatūras un koncentrācijas var darboties kā parasta skābe vai kā spēcīgs oksidētājs. Auksts atšķaidīts sērskābes šķīdums reaģē ar aktīvajiem metāliem, veidojot sāli (sulfātu) un izdalot ūdeņraža gāzi. Piemēram, reakcija starp auksti atšķaidītu H2SO4 (pieņemot, ka tā ir pilnīga divpakāpju disociācija) un metālisko cinku izskatās šādi:
Zn + H2SO4 = ZnSO4+ H2.
Karsta koncentrēta sērskābe, kuras blīvums ir aptuveni 1,8 g/cm3, var darboties kā oksidētājs, reaģējot ar materiāliem, kas parasti ir inerti pret skābēm, piemēram, kā metālisks varš. Reakcijas laikā varš oksidējas, un skābes masa samazinās, ūdeņraža vietā veidojas vara (II) sulfāta šķīdums ūdenī un gāzveida sēra dioksīds (SO2), kas būtu sagaidāms, skābei reaģējot ar metālu.
Cu + 2H2SO4 =CuSO4 + SO 2 + 2H2 O.
Kā parasti tiek izteikta šķīdumu koncentrācija
Patiesībā jebkura šķīduma koncentrāciju var izteikt dažādiveidi, bet visplašāk izmantotā svara koncentrācija. Tas parāda izšķīdušās vielas gramu skaitu noteiktā šķīduma vai šķīdinātāja masā vai tilpumā (parasti 1000 g, 1000 cm3, 100 cm3 un 1 dm 3). Vielas masas gramos vietā var ņemt tās daudzumu, kas izteikts molos - tad iegūst molāro koncentrāciju uz 1000 g jeb 1 dm3 šķīdums.
Ja molāro koncentrāciju nosaka nevis attiecībā pret šķīduma daudzumu, bet tikai pret šķīdinātāju, tad to sauc par šķīduma molalitāti. To raksturo neatkarība no temperatūras.
Bieži vien svara koncentrācija ir norādīta gramos uz 100 g šķīdinātāja. Reizinot šo skaitli ar 100%, jūs to iegūstat svara procentos (koncentrācijas procentos). Tieši šo metodi visbiežāk izmanto sērskābes šķīdumiem.
Katra šķīduma koncentrācijas vērtība, kas noteikta noteiktā temperatūrā, atbilst tā ļoti specifiskajam blīvumam (piemēram, sērskābes šķīduma blīvumam). Tāpēc dažreiz risinājumu raksturo tieši tas. Piemēram, H2SO4 šķīduma, kam raksturīga procentuālā koncentrācija 95,72%, blīvums ir 1,835 g/cm 3 pie t=20 °С. Kā noteikt šāda šķīduma koncentrāciju, ja ir norādīts tikai sērskābes blīvums? Tabula, kurā norādīta šāda atbilstība, ir jebkuras vispārējās vai analītiskās ķīmijas mācību grāmatas neatņemama sastāvdaļa.
Koncentrācijas konversijas piemērs
Mēģināsim pāriet no viena koncentrēšanās izpausmes veidarisinājums citam. Pieņemsim, ka mums ir H2SO4 šķīdums ūdenī ar procentuālo koncentrāciju 60%. Pirmkārt, mēs nosakām atbilstošo sērskābes blīvumu. Tālāk ir parādīta tabula, kurā norādītas H2SO4 (ceturtā kolonna) ūdens šķīduma procentuālās koncentrācijas (pirmā kolonna) un tām atbilstošie blīvumi.
No tā mēs nosakām vēlamo vērtību, kas ir vienāda ar 1, 4987 g/cm3. Tagad aprēķināsim šī šķīduma molaritāti. Lai to izdarītu, ir jānosaka H2SO4 1 litrā šķīdums un atbilstošs skābes molu skaits.
Tilpums, ko aizņem 100 g izejas šķīduma:
100/1, 4987=66,7 ml.
Tā kā 66,7 mililitri 60% šķīduma satur 60 g skābes, 1 litrā tā būs:
(60/66, 7) x 1000=899,55
Sērskābes molārā masa ir 98. Tādējādi molu skaits 899,55 g tās gramos būs:
899, 55/98=9, 18 mol.
Sērskābes blīvuma atkarība no koncentrācijas parādīta att. zemāk.
Izmantojot sērskābi
To izmanto dažādās nozarēs. Dzelzs un tērauda ražošanā to izmanto, lai notīrītu metāla virsmu, pirms tā tiek pārklāta ar citu vielu, tiek iesaistīta sintētisko krāsvielu, kā arī cita veida skābju, piemēram, sālsskābes un slāpekļskābes, radīšanā. Viņa arīizmanto farmaceitisko līdzekļu, mēslošanas līdzekļu un sprāgstvielu ražošanā, un tas ir arī svarīgs reaģents piemaisījumu atdalīšanai no naftas naftas pārstrādes rūpniecībā.
Šī ķīmiskā viela ir neticami noderīga mājās, un tā ir viegli pieejama kā sērskābes šķīdums, ko izmanto svina-skābes akumulatoros (piemēram, automašīnās). Šādas skābes koncentrācija parasti ir aptuveni 30% līdz 35% H2SO 4 pēc svara, bet pārējais ir ūdens.
Daudzām mājas lietojumprogrammām 30% H2SO4 būs vairāk nekā pietiekami, lai apmierinātu jūsu vajadzības. Taču arī rūpniecībā ir nepieciešama daudz lielāka sērskābes koncentrācija. Parasti ražošanas procesā tas vispirms izrādās diezgan atšķaidīts un piesārņots ar organiskiem piemaisījumiem. Koncentrēto skābi iegūst divos posmos: vispirms to palielina līdz 70%, bet pēc tam - otrajā posmā - palielina līdz 96-98%, kas ir ekonomiski izdevīgas ražošanas robeža.
Sērskābes blīvums un tās kategorijas
Lai gan vārot īslaicīgi var iegūt gandrīz 99% sērskābes, sekojošais SO3 zudums viršanas temperatūrā samazina koncentrāciju līdz 98,3%. Kopumā 98% šķirne ir stabilāka uzglabāšanā.
Skābes komerciālās kategorijas atšķiras pēc procentuālās koncentrācijas, un tām tiek izvēlētas tās vērtības, pie kurām kristalizācijas temperatūra ir minimāla. Tas tiek darīts, lai samazinātu sērskābes kristālu izgulsnēšanos.nogulsnes transportēšanas un uzglabāšanas laikā. Galvenās šķirnes ir:
- Tornis (slāpekļa) - 75%. Šīs šķiras sērskābes blīvums ir 1670 kg/m3. Iegūstiet to ts. slāpekļa metode, kurā apdedzināšanas gāzi, kas iegūta, apgrauzdējot primārās izejvielas, kas satur sēra dioksīdu SO2, oderētos torņos (tātad šķirnes nosaukums) apstrādā ar slāpekli (šī ir arī H2 SO4, bet ar tajā izšķīdinātiem slāpekļa oksīdiem). Rezultātā izdalās skābes un slāpekļa oksīdi, kas procesā netiek patērēti, bet tiek atgriezti ražošanas ciklā.
- Sazināties - 92, 5-98, 0%. Šīs šķiras 98% sērskābes blīvums ir 1836,5 kg/m3. To iegūst arī no apdedzināšanas gāzes, kas satur SO2, un process ietver dioksīda oksidēšanu līdz anhidrīdam SO3 , kad tas nonāk saskarē (tātad šķirnes nosaukums) ar vairākiem cieta vanādija katalizatora slāņiem.
- Oleum - 104,5%. Tās blīvums ir 1896,8 kg/m3. Šis ir SO3 risinājums H2SO4, kurā pirmajā komponentā ir 20 %, un skābes - tieši 104,5%.
- Augstu procentuālo oleumu - 114,6%. Tā blīvums ir 2002 kg/m3.
- Akumulators - 92–94%.
Kā darbojas automašīnas akumulators
Šīs vienas no masīvākajām elektroierīcēm darbība pilnībā balstās uz elektroķīmiskiem procesiem, kas notiek sērskābes ūdens šķīduma klātbūtnē.
Automašīnas akumulators satur atšķaidītu sērskābes elektrolītu unpozitīvie un negatīvie elektrodi vairāku plākšņu veidā. Pozitīvās plāksnes ir izgatavotas no sarkanbrūna materiāla - svina dioksīda (PbO2), bet negatīvās plāksnes ir izgatavotas no pelēcīgi "sūkļaina" svina (Pb).
Tā kā elektrodi ir izgatavoti no svina vai svinu saturoša materiāla, šāda veida akumulatorus bieži dēvē par svina-skābes akumulatoru. Tās veiktspēju, t.i., izejas sprieguma lielumu, tieši nosaka sērskābes strāvas blīvums (kg/m3 vai g/cm3), kas iepildīts akumulatorā kā elektrolīts.
Kas notiek ar elektrolītu, kad akumulators ir izlādējies
Svina-skābes akumulatora elektrolīts ir akumulatora sērskābes šķīdums ķīmiski tīrā destilētā ūdenī ar 30% koncentrāciju, kad tas ir pilnībā uzlādēts. Tīras skābes blīvums ir 1,835 g/cm3, elektrolīta blīvums ir aptuveni 1,300 g/cm3. Kad akumulators ir izlādējies, tajā notiek elektroķīmiskas reakcijas, kuru rezultātā no elektrolīta tiek ņemta sērskābe. Šķīduma koncentrācijas blīvums ir atkarīgs gandrīz proporcionāli, tāpēc tam vajadzētu samazināties elektrolīta koncentrācijas samazināšanās dēļ.
Kamēr izlādes strāva plūst caur akumulatoru, tā elektrodu tuvumā esošā skābe tiek aktīvi izmantota, un elektrolīts kļūst arvien atšķaidītāks. Skābes difūzija no visa elektrolīta tilpuma un uz elektrodu plāksnēm uztur aptuveni nemainīgu ķīmisko reakciju intensitāti un rezultātā izvadi.spriegums.
Izlādes procesa sākumā skābes difūzija no elektrolīta plāksnēs notiek ātri, jo iegūtais sulfāts vēl nav aizsērējis poras elektrodu aktīvajā materiālā. Kad sulfāts sāk veidoties un aizpildīt elektrodu poras, difūzija notiek lēnāk.
Teorētiski jūs varat turpināt izlādi, līdz visa skābe ir izlietota un elektrolīts ir tīrs ūdens. Tomēr pieredze rāda, ka izlādei nevajadzētu turpināties pēc tam, kad elektrolīta blīvums ir samazinājies līdz 1,150 g/cm3.
Kad blīvums samazinās no 1 300 līdz 1 150, tas nozīmē, ka reakciju laikā izveidojās tik daudz sulfāta, kas aizpilda visas poras, kas atrodas uz plāksnēm esošajos aktīvajos materiālos, t.i., gandrīz visā sērskābē. Blīvums ir proporcionāli atkarīgs no koncentrācijas, un tādā pašā veidā akumulatora uzlāde ir atkarīga no blīvuma. Uz att. Akumulatora uzlādes atkarība no elektrolīta blīvuma ir parādīta zemāk.
Elektrolīta blīvuma maiņa ir labākais līdzeklis, lai noteiktu akumulatora izlādes stāvokli, ja tas tiek pareizi izmantots.
Automašīnas akumulatora izlādes pakāpes atkarībā no elektrolīta blīvuma
Tā blīvums jāmēra ik pēc divām nedēļām, un rādījumi ir nepārtraukti jāreģistrē turpmākai uzziņai.
Jo blīvāks ir elektrolīts, jo vairāk skābes tajā ir un jo vairāk uzlādēts akumulators. Blīvums 1300–1,280 g/cm3norāda uz pilnu uzlādi. Parasti atkarībā no elektrolīta blīvuma izšķir šādas akumulatora izlādes pakāpes:
- 1, 300-1, 280 - pilnībā uzlādēts:
- 1, 280-1, 200 - vairāk nekā puse tukša;
- 1, 200-1, 150 - mazāk nekā puse;
- 1, 150 - gandrīz tukšs.
Pilnībā uzlādēta akumulatora spriegums uz vienu elementu ir no 2,5 līdz 2,7 voltiem, pirms tas tiek pievienots automašīnas elektrotīklam. Tiklīdz tiek pievienota slodze, spriegums trīs vai četru minūšu laikā strauji pazeminās līdz aptuveni 2,1 voltam. Tas ir saistīts ar plāna svina sulfāta slāņa veidošanos uz negatīvo elektrodu plākšņu virsmas un starp svina peroksīda slāni un pozitīvo plākšņu metālu. Šūnas sprieguma galīgā vērtība pēc pieslēgšanas automašīnas tīklam ir aptuveni 2,15–2,18 volti.
Kad strāva sāk plūst caur akumulatoru pirmajā darbības stundā, notiek sprieguma kritums līdz 2 V, jo palielinās šūnu iekšējā pretestība, jo veidojas vairāk sulfātu, kas piepildās. plākšņu poras un skābes noņemšana no elektrolīta. Īsi pirms strāvas plūsmas sākuma elektrolīta blīvums ir maksimālais un vienāds ar 1,300 g/cm3. Sākumā tās retināšana notiek ātri, bet pēc tam tiek izveidots līdzsvarots stāvoklis starp skābes blīvumu pie plāksnēm un elektrolīta galvenajā tilpumā, skābes izvadīšanu ar elektrodiem veicina jaunu skābes daļu piegāde. skābe no elektrolīta galvenās daļas. Šajā gadījumā elektrolīta vidējais blīvumsturpina nepārtraukti samazināties atbilstoši atkarībai, kas parādīta attēlā. augstāks. Pēc sākotnējā krituma spriegums samazinās lēnāk, samazinājuma ātrums ir atkarīgs no akumulatora slodzes. Izlādes procesa laika grafiks ir parādīts att. zemāk.
Akumulatora elektrolīta stāvokļa uzraudzība
Blīvuma noteikšanai izmanto hidrometru. Tas sastāv no nelielas noslēgtas stikla caurules ar izplešanos apakšējā galā, kas piepildīta ar skrotis vai dzīvsudrabu, un graduētu skalu augšējā galā. Šī skala ir marķēta no 1100 līdz 1300 ar dažādām vērtībām starp tām, kā parādīts attēlā. zemāk. Ja šo hidrometru ievieto elektrolītā, tas nogrims līdz noteiktam dziļumam. To darot, tas izspiedīs noteiktu elektrolīta tilpumu, un, sasniedzot līdzsvara stāvokli, pārvietotā tilpuma svars vienkārši būs vienāds ar hidrometra svaru. Tā kā elektrolīta blīvums ir vienāds ar tā svara un tilpuma attiecību un ir zināms hidrometra svars, katrs tā iegremdēšanas līmenis šķīdumā atbilst noteiktam blīvumam.
Dažiem hidrometriem nav skalas ar blīvuma vērtībām, bet tie ir marķēti ar uzrakstiem: "Uzlādēts", "Pusizlāde", "Pilna izlāde" vai līdzīgi.
