Lahjendatud ja kontsentreeritud väävelhape on nii olulised kemikaalid, et maailm toodab neid rohkem kui ühtki teist ainet. Riigi majanduslikku rikkust saab mõõta toodetud väävelhappe koguse järgi.
Dissotsiatsiooniprotsess
Väävelhapet kasutatakse erineva kontsentratsiooniga vesilahuste kujul. See läbib dissotsiatsioonireaktsiooni kahes etapis, tekitades lahuses H+ ioone.
H2SO4 =H+ + HSO4 -;
HSO4- =H + + SO4 -2.
Väävelhape on tugev ja selle dissotsiatsiooni esimene etapp on nii intensiivne, et peaaegu kõik algsed molekulid lagunevad H+-ioonideks ja HSO 4-1 -iooni (hüdrosulfaat) lahuses. Viimased lagunevad osaliselt veelgi, vabastades veel ühe H+-iooni ja jättes alles sulfaadiiooni (SO4-2) lahuses. Kuid vesiniksulfaat, mis on nõrk hape, on endiselt ülekaalus.lahuses üle H+ ja SO4-2. Selle täielik dissotsiatsioon toimub ainult siis, kui väävelhappe lahuse tihedus läheneb vee tihedusele, st tugeva lahjenduse korral.
Väävelhappe omadused
See on eriline selle poolest, et see võib sõltuv alt temperatuurist ja kontsentratsioonist toimida tavalise happe või tugeva oksüdeeriva ainena. Väävelhappe külm lahjendatud lahus reageerib aktiivsete metallidega, moodustades soola (sulfaadi) ja vabastades gaasilise vesiniku. Näiteks reaktsioon külm alt lahjendatud H2SO4 (eeldades selle täielikku kaheastmelist dissotsiatsiooni) ja metallilise tsingi vahel näeb välja järgmine:
Zn + H2SO4 = ZnSO4+ H2.
Kuum kontsentreeritud väävelhape tihedusega umbes 1,8 g/cm3 võib toimida oksüdeeriva ainena, reageerides materjalidega, mis on tavaliselt hapete suhtes inertsed, nagu näiteks nagu metalliline vask. Reaktsiooni käigus vask oksüdeerub ja happe mass väheneb, moodustub vesiniku asemel vask(II)sulfaadi lahus vees ja gaasiline vääveldioksiid (SO2), mida võiks eeldada happe reageerimisel metalliga.
Cu + 2H2SO4 =CuSO4 + SO 2 + 2H2 O.
Kuidas üldiselt väljendatakse lahuste kontsentratsiooni
Tegelikult võib iga lahuse kontsentratsiooni väljendada erinev altviise, kuid kõige laialdasem alt kasutatav kaalukontsentratsioon. See näitab lahustunud aine grammide arvu lahuse või lahusti antud massis või mahus (tavaliselt 1000 g, 1000 cm3, 100 cm3 ja 1 dm 3). Aine massi grammides asemel võite võtta selle koguse väljendatuna moolides – siis saate molaarse kontsentratsiooni 1000 g või 1 dm kohta3 lahuse.
Kui molaarne kontsentratsioon on määratletud mitte lahuse koguse, vaid ainult lahusti suhtes, siis nimetatakse seda lahuse molaalsuseks. Seda iseloomustab sõltumatus temperatuurist.
Sageli on massikontsentratsioon näidatud grammides 100 g lahusti kohta. Korrutades selle arvu 100%, saate selle massiprotsendina (kontsentratsiooni protsentides). Seda meetodit kasutatakse kõige sagedamini väävelhappe lahuste puhul.
Iga lahuse kontsentratsiooni väärtus, mis on määratud antud temperatuuril, vastab selle väga spetsiifilisele tihedusele (näiteks väävelhappe lahuse tihedusele). Seetõttu iseloomustab mõnikord lahendust just see. Näiteks H2SO4 lahuse, mida iseloomustab protsentuaalne kontsentratsioon 95,72%, tihedus on 1,835 g/cm 3 temperatuuril t=20 °С. Kuidas määrata sellise lahuse kontsentratsiooni, kui on antud ainult väävelhappe tihedus? Sellise vastavuse tabel on iga üld- või analüütilise keemia õpiku lahutamatu osa.
Kontsentratsiooni muundamise näide
Proovime liikuda ühelt keskendumise väljendamise viisiltlahendus teisele. Oletame, et meil on H2SO4 lahus, mille kontsentratsioon on 60%. Esiteks määrame väävelhappe vastava tiheduse. Allpool on näidatud tabel, mis sisaldab H2SO4 (neljas veerg) vesilahuse kontsentratsioone protsentides (esimene veerg) ja nende vastavaid tihedusi.
Sellest määrame soovitud väärtuse, mis võrdub 1, 4987 g/cm3. Nüüd arvutame selle lahuse molaarsuse. Selleks on vaja määrata H2SO4 1 liitris lahus ja vastav happe moolide arv.
Maht, mille hõivab 100 g põhilahust:
100 / 1, 4987=66,7 ml.
Kuna 66,7 milliliitrit 60% lahust sisaldab 60 g hapet, siis 1 liiter seda sisaldab:
(60/66, 7) x 1000=899,55
Väävelhappe molaarmass on 98. Seega on 899,55 g selle grammides sisalduvate moolide arv:
899, 55/98=9, 18 mol.
Väävelhappe tiheduse sõltuvus kontsentratsioonist on näidatud joonisel fig. allpool.
Väävelhappe kasutamine
Seda kasutatakse erinevates tööstusharudes. Raua ja terase tootmisel kasutatakse seda metalli pinna puhastamiseks enne selle katmist mõne muu ainega, see osaleb sünteetiliste värvainete, aga ka muud tüüpi hapete, nagu vesinikkloriid- ja lämmastikhape, loomisel. Tema Samutikasutatakse ravimite, väetiste ja lõhkeainete tootmisel ning on ka oluline reagent õlist lisandite eemaldamisel nafta rafineerimistööstuses.
See kemikaal on kodustes tingimustes uskumatult kasulik ja on kergesti saadaval väävelhappelahusena, mida kasutatakse pliiakudes (nagu autodes leiduvates). Sellise happe kontsentratsioon on tavaliselt umbes 30% kuni 35% H2SO 4 massi järgi, ülejäänud on vesi.
Paljude kodurakenduste puhul on 30% H2SO4 teie vajaduste rahuldamiseks enam kui piisav. Kuid tööstus nõuab ka palju suuremat väävelhappe kontsentratsiooni. Tavaliselt osutub see tootmisprotsessi käigus esm alt üsna lahjendatuks ja orgaaniliste lisanditega saastunuks. Kontsentreeritud hape saadakse kahes etapis: esm alt viiakse see 70%-ni ja seejärel - teises etapis - 96-98%-ni, mis on majanduslikult tasuva tootmise piir.
Väävelhappe tihedus ja selle klassid
Kuigi peaaegu 99% väävelhapet saab lühiajaliselt keetes, vähendab järgnev SO3 kadu keemistemperatuuril kontsentratsiooni 98,3%. Üldiselt on 98% sort laos stabiilsem.
Happe kaubanduslikud klassid erinevad oma kontsentratsiooni protsentides ja nende jaoks valitakse need väärtused, mille juures kristalliseerumistemperatuurid on minimaalsed. Seda tehakse väävelhappekristallide sadenemise vähendamiseks.sete transpordi ja ladustamise ajal. Peamised sordid on:
- Torn (nitroos) - 75%. Selle klassi väävelhappe tihedus on 1670 kg/m3. Hankige see nö. lämmastikmeetodil, mille puhul vooderdatud tornides vääveldioksiidi SO2 esmase tooraine röstimisel saadud röstimisgaasi töödeldakse lämmastikuga (sellest ka sordi nimi). on samuti H2 SO4, kuid selles on lahustunud lämmastikoksiidid). Selle tulemusena eralduvad happe- ja lämmastikoksiidid, mida protsessi käigus ei tarbita, vaid suunatakse tagasi tootmistsüklisse.
- Kontakt - 92, 5-98, 0%. Selle klassi 98% väävelhappe tihedus on 1836,5 kg/m3. Seda saadakse ka sörtgaasist, mis sisaldab SO2, ja protsess hõlmab dioksiidi oksüdeerimist anhüdriidiks SO3 , kui see kokku puutub (seega sordi nimi) mitme kihi tahke vanaadiumkatalüsaatoriga.
- Oleum – 104,5%. Selle tihedus on 1896,8 kg/m3. See on SO3 lahendus H2SO4, milles esimene komponent sisaldab 20 % ja happed - täpselt 104,5%.
- Oleum kõrge protsent – 114,6%. Selle tihedus on 2002 kg/m3.
- Aku – 92–94%.
Kuidas autoaku töötab
Selle ühe massiivsema elektriseadme töö põhineb täielikult elektrokeemilistel protsessidel, mis toimuvad väävelhappe vesilahuse juuresolekul.
Auto aku sisaldab lahjendatud väävelhappe elektrolüüti japositiivsed ja negatiivsed elektroodid mitme plaadi kujul. Positiivsed plaadid on valmistatud punakaspruunist materjalist - pliidoksiidist (PbO2) ja negatiivsed plaadid on valmistatud hallikast "käsnjas" pliist (Pb).
Kuna elektroodid on valmistatud pliist või pliid sisaldavast materjalist, nimetatakse seda tüüpi akut sageli pliiakuks. Selle jõudluse, st väljundpinge suuruse, määrab otseselt akusse elektrolüüdina täidetud väävelhappe voolutihedus (kg/m3 või g/cm3).
Mis juhtub elektrolüüdiga, kui aku tühjeneb
Pliiaku elektrolüüt on aku väävelhappe lahus keemiliselt puhtas destilleeritud vees kontsentratsiooniga 30%, kui see on täielikult laetud. Puhta happe tihedus on 1,835 g/cm3, elektrolüüdi tihedus on umbes 1,300 g/cm3. Aku tühjenemisel toimuvad selles elektrokeemilised reaktsioonid, mille tulemusena võetakse elektrolüüdist väävelhapet. Lahuse kontsentratsiooni tihedus sõltub peaaegu proportsionaalselt, seega peaks see elektrolüüdi kontsentratsiooni vähenemise tõttu vähenema.
Kuni tühjendusvool läbib akut, kasutatakse selle elektroodide läheduses olevat hapet aktiivselt ja elektrolüüt muutub üha lahjemaks. Happe difusioon kogu elektrolüüdi mahust ja elektroodiplaatidele säilitab keemiliste reaktsioonide ligikaudu konstantse intensiivsuse ja selle tulemusena väljundi.pinge.
Tühjendusprotsessi alguses toimub happe difusioon elektrolüüdist plaatidesse kiiresti, kuna tekkiv sulfaat ei ole veel elektroodide aktiivse materjali poore ummistanud. Kui sulfaat hakkab moodustuma ja täitma elektroodide poorid, toimub difusioon aeglasem alt.
Teoreetiliselt võite tühjendamist jätkata, kuni kogu hape on ära kasutatud ja elektrolüüdiks on puhas vesi. Kogemused näitavad aga, et tühjenemine ei tohiks jätkuda pärast seda, kui elektrolüüdi tihedus on langenud 1,150 g/cm3.
Kui tihedus langeb 1 300-lt 1 150-le, tähendab see, et reaktsioonide käigus tekkis nii palju sulfaati ja see täidab kõik plaatidel olevate aktiivsete materjalide poorid, st peaaegu kogu väävelhappe. Tihedus sõltub proportsionaalselt kontsentratsioonist ja samamoodi sõltub tihedusest aku laetus. Joonisel fig. Aku laetuse sõltuvus elektrolüüdi tihedusest on näidatud allpool.
Elektrolüüdi tiheduse muutmine on parim vahend aku tühjenemise määramiseks eeldusel, et seda kasutatakse õigesti.
Autoaku tühjenemise astmed sõltuv alt elektrolüüdi tihedusest
Selle tihedust tuleks mõõta iga kahe nädala järel ja näidud tuleks edaspidiseks kasutamiseks pidev alt salvestada.
Mida tihedam on elektrolüüt, seda rohkem hapet see sisaldab ja seda laetum on aku. Tihedus 1300–1,280 g/cm3näitab täislaadimist. Sõltuv alt elektrolüüdi tihedusest eristatakse reeglina järgmisi aku tühjenemise astmeid:
- 1, 300-1, 280 – täis laetud:
- 1, 280-1, 200 – rohkem kui pooltühi;
- 1, 200-1, 150 – alla poole täis;
- 1, 150 – peaaegu tühi.
Täielikult laetud aku pinge on enne auto vooluvõrku ühendamist 2,5–2,7 volti elemendi kohta. Niipea, kui koormus on ühendatud, langeb pinge kolme või nelja minuti jooksul kiiresti umbes 2,1 voltini. See on tingitud õhukese pliisulfaadi kihi moodustumisest negatiivsete elektroodide plaatide pinnale ning pliiperoksiidi kihi ja positiivsete plaatide metalli vahele. Elementide pinge lõppväärtus pärast autovõrku ühendamist on umbes 2,15–2,18 volti.
Kui vool hakkab esimese töötunni jooksul läbi aku voolama, langeb pinge 2 V-ni, kuna elementide sisetakistus suureneb, kuna tekib rohkem sulfaate, mis täidavad plaatide poorid ja happe eemaldamine elektrolüüdist. Vahetult enne voolu algust on elektrolüüdi tihedus maksimaalne ja võrdne 1,300 g/cm3. Alguses toimub selle harvendamine kiiresti, kuid seejärel tekib tasakaal happe tiheduse vahel plaatide lähedal ja elektrolüüdi põhimahus, happe eemaldamist elektroodide abil toetab uute osade tarnimine. hape elektrolüüdi põhiosast. Sel juhul elektrolüüdi keskmine tihedusväheneb pidev alt vastav alt joonisel fig. kõrgemale. Pärast esialgset langust väheneb pinge aeglasem alt, vähenemise kiirus sõltub aku koormusest. Tühjendusprotsessi ajagraafik on näidatud joonisel fig. allpool.
Aku elektrolüüdi oleku jälgimine
Tiheduse määramiseks kasutatakse hüdromeetrit. See koosneb väikesest suletud klaastorust, mille alumine ots on haavli või elavhõbedaga täidetud ja mille ülemine ots on gradueeritud skaala. See skaala on tähistatud vahemikus 1100 kuni 1300, mille vahel on erinevad väärtused, nagu on näidatud joonisel fig. allpool. Kui see hüdromeeter asetada elektrolüüti, vajub see teatud sügavusele. Seda tehes tõrjub see välja teatud koguse elektrolüüti ja kui tasakaaluasend on saavutatud, on nihutatud mahu kaal lihts alt võrdne hüdromeetri kaaluga. Kuna elektrolüüdi tihedus on võrdne selle massi ja ruumala suhtega ning hüdromeetri kaal on teada, vastab iga lahusesse sukeldumise tase teatud tihedusele.
Mõnel hüdromeetril ei ole tiheduse väärtustega skaalat, vaid need on tähistatud kirjadega: "Laetud", "Pooltühjenemine", "Täielik tühjendus" või sarnased.
