חומצה גופרתית מדוללת ומרוכזת הם כימיקלים כל כך חשובים שהעולם מייצר מהם יותר מכל חומר אחר. ניתן למדוד את העושר הכלכלי של מדינה לפי כמות החומצה הגופרתית שהיא מייצרת.
תהליך ניתוק
חומצה גופרתית משמשת בצורה של תמיסות מימיות בריכוזים שונים. הוא עובר תגובת דיסוציאציה בשני שלבים, ומייצר H+ יונים בתמיסה.
H2SO4 =H+ + HSO4 -;
HSO4- =H + + SO4 -2.
חומצה גופרית חזקה, והשלב הראשון של ההתנתקות שלה הוא כל כך אינטנסיבי, שכמעט כל המולקולות המקוריות מתפרקות ליונים H+ ו-HSO 4-1 -יונים (הידרוסולפט) בתמיסה. האחרון מתכלה חלקית עוד יותר, משחרר יון H+ נוסף ומשאיר יון סולפט (SO4-2) בפתרון. עם זאת, מימן גופרתי, בהיותו חומצה חלשה, עדיין שורר.בפתרון על H+ ו-SO4-2. ההתנתקות המוחלטת שלו מתרחשת רק כאשר צפיפות תמיסת החומצה הגופרתית מתקרבת לצפיפות המים, כלומר בדילול חזק.
מאפייני חומצה גופרתית
הוא מיוחד בכך שהוא יכול לפעול כחומצה רגילה או כחומר מחמצן חזק, תלוי בטמפרטורה ובריכוז שלה. תמיסה מדוללת קרה של חומצה גופרתית מגיבה עם מתכות פעילות כדי ליצור מלח (סולפט) ולשחרר גז מימן. לדוגמה, התגובה בין מדולל קר H2SO4 (בהנחה של הניתוק הדו-שלבי המלא שלו) לבין אבץ מתכתי נראית כך:
Zn + H2SO4 = ZnSO4+ H2.
חומצה גופרתית מרוכזת חמה, עם צפיפות של כ-1.8 גרם/ס מ3, יכולה לפעול כחומר מחמצן, להגיב עם חומרים שבדרך כלל אינרטיים לחומצות, כגון כמו נחושת מתכתית. במהלך התגובה, הנחושת מתחמצנת, ומסת החומצה יורדת, נוצרת תמיסה של נחושת (II) גופרתית במים וגפרית דו-חמצנית (SO2) במקום מימן, מה שהיה צפוי כאשר החומצה מגיבה עם מתכת.
Cu + 2H2SO4 =CuSO4 + SO 2 + 2H2 O.
איך מתבטא בדרך כלל ריכוז התמיסות
למעשה, הריכוז של כל תמיסה יכול לבוא לידי ביטוי בשונותדרכים, אבל ריכוז המשקל הנפוץ ביותר. הוא מציג את מספר הגרמים של מומס במסה או נפח נתון של תמיסה או ממס (בדרך כלל 1000 גרם, 1000 ס"מ3, 100 ס"מ3 ו-1 dm 3). במקום המסה של חומר בגרמים, אפשר לקחת את הכמות שלו מבוטאת בשומות - אז מקבלים את הריכוז המולארי ל-1000 גרם או 1 dm3 solution.
אם הריכוז המולארי מוגדר ביחס לא לכמות התמיסה, אלא רק לממס, אזי זה נקרא מולאליות התמיסה. הוא מאופיין בחוסר תלות בטמפרטורה.
לעתים קרובות, ריכוז המשקל מצוין בגרמים ל-100 גרם ממס. מכפילים את הנתון הזה ב-100%, מקבלים אותו באחוז משקל (ריכוז אחוז). שיטה זו משמשת לרוב ביישום על תמיסות חומצה גופרתית.
כל ערך של ריכוז תמיסה שנקבע בטמפרטורה נתונה מתאים לצפיפות המאוד ספציפית שלה (לדוגמה, צפיפות תמיסה של חומצה גופרתית). לכן, לפעמים הפתרון מאופיין דווקא בכך. לדוגמה, תמיסה של H2SO4, המאופיינת באחוז ריכוז של 95.72%, היא בעלת צפיפות של 1.835 גרם/ס מ 3 ב-t=20 °С. כיצד לקבוע את הריכוז של תמיסה כזו, אם רק ניתנת הצפיפות של חומצה גופרתית? טבלה המספקת התכתבות כזו היא חלק בלתי נפרד מכל ספר לימוד בכימיה כללית או אנליטית.
דוגמה להמרת ריכוז
בואו ננסה לעבור מדרך אחת להביע ריכוזפתרון לאחר. נניח שיש לנו פתרון של H2SO4 במים עם ריכוז אחוז של 60%. ראשית, אנו קובעים את הצפיפות המתאימה של חומצה גופרתית. טבלה המכילה אחוז ריכוזים (עמודה ראשונה) וצפיפויות התואמות שלהם של תמיסה מימית של H2SO4 (עמודה רביעית) מוצגת להלן.
מתוכו אנו קובעים את הערך הרצוי, ששווה ל-1, 4987 g/cm3. הבה נחשב כעת את המולריות של תמיסה זו. לשם כך, יש צורך לקבוע את המסה של H2SO4 בליטר אחד של תמיסה והמספר המתאים של מולים חומצה
נפח תפוס על ידי 100 גרם של תמיסה:
100 / 1, 4987=66.7 מ ל.
מכיוון ש-66.7 מיליליטר של תמיסה 60% מכילה 60 גרם חומצה, 1 ליטר ממנה יכיל:
(60 / 66, 7) x 1000=899.55
המשקל המולרי של חומצה גופרתית הוא 98. לפיכך, מספר השומות הכלולות ב-899.55 גרם מהגרם שלה יהיה:
899, 55 / 98=9, 18 מול.
תלות הצפיפות של חומצה גופרתית בריכוז מוצגת באיור. למטה.
שימוש בחומצה גופרתית
זה מיושם בתעשיות שונות. בייצור של ברזל ופלדה משתמשים בו לניקוי פני המתכת לפני שהיא מצופה בחומר אחר, הוא מעורב ביצירת צבעים סינתטיים וכן סוגים נוספים של חומצות כמו הידרוכלורי וחנקן. גם היאמשמש בייצור של תרופות, דשנים וחומרי נפץ, ומהווה גם מגיב חשוב בסילוק זיהומים מנפט בתעשיית זיקוק הנפט.
כימיקל זה שימושי להפליא בבית, והוא זמין בקלות כתמיסת חומצה גופרתית המשמשת בסוללות עופרת (כמו אלו שנמצאות במכוניות). לחומצה כזו יש בדרך כלל ריכוז של כ-30% עד 35% H2SO 4 לפי משקל, כאשר השאר הם מים.
עבור יישומים ביתיים רבים, 30% H2SO4 יהיה די והותר כדי לענות על הצרכים שלך. עם זאת, התעשייה דורשת גם ריכוז גבוה בהרבה של חומצה גופרתית. בדרך כלל, במהלך תהליך הייצור, מתברר תחילה שהוא די מדולל ומזוהם בזיהומים אורגניים. החומצה המרוכזת מתקבלת בשני שלבים: תחילה מביאים אותה ל-70%, ולאחר מכן - בשלב השני - מעלים אותה ל-96-98%, שזה הגבול לייצור משתלם כלכלית.
צפיפות חומצה גופרתית וציוניה
למרות שניתן להשיג כמעט 99% חומצה גופרתית על ידי הרתחה, ההפסד הבא של SO3 בנקודת הרתיחה מפחית את הריכוז ל-98.3%. באופן כללי, מגוון ה-98% יציב יותר באחסון.
דרגות מסחריות של חומצה שונות באחוזים שלה, ועבורן נבחרים הערכים שבהם טמפרטורות ההתגבשות מינימליות. זה נעשה כדי להפחית את המשקעים של גבישי חומצה גופרתית.משקעים במהלך הובלה ואחסון. הזנים העיקריים הם:
- מגדל (חנקן) - 75%. הצפיפות של חומצה גופרתית בדרגה זו היא 1670 ק"ג/מ"ר3. קבל את זה מה שנקרא. שיטת חנקנית, שבה גז הקלייה המתקבל במהלך קלייה של חומרי גלם ראשוניים, המכיל דו תחמוצת גופרית SO2, במגדלים מרופדים (ומכאן שם הזן) מטופל בחנקן (זה הוא גם H2 SO4, אבל עם תחמוצות חנקן מומסות בו). כתוצאה מכך משתחררות תחמוצות חומצה וחנקן, שאינן נצרכות בתהליך, אלא מוחזרות למחזור הייצור.
- איש קשר - 92, 5-98, 0%. הצפיפות של חומצה גופרתית 98% בדרגה זו היא 1836.5 ק"ג/מ"ר3. הוא מתקבל גם מגז צלייה המכיל SO2, והתהליך כולל חמצון של דו-חמצני לאנהידריד SO3 כאשר הוא בא במגע (ולכן שם הזן) עם מספר שכבות של זרז ונדיום מוצק.
- אולאום - 104.5%. הצפיפות שלו היא 1896.8 ק"ג/מ"ר3. זהו פתרון של SO3 ב-H2SO4, שבו הרכיב הראשון מכיל 20 %, וחומצות - בדיוק 104.5%.
- אחוז גבוה של אולאום - 114.6%. הצפיפות שלו היא 2002 ק"ג/מ"ר3.
- סוללה - 92-94%.
איך עובד מצבר לרכב
הפעולה של אחד המכשירים החשמליים המאסיביים ביותר מבוססת לחלוטין על תהליכים אלקטרוכימיים המתרחשים בנוכחות תמיסה מימית של חומצה גופרתית.
סוללת המכונית מכילה אלקטרוליט חומצה גופרתית מדוללת ואלקטרודות חיוביות ושליליות בצורת מספר לוחות. הלוחות החיוביים עשויים מחומר חום-אדמדם - דו תחמוצת העופרת (PbO2), והצלחות השליליות עשויות מעופרת "ספוגית" אפורה (Pb).
מכיוון שהאלקטרודות עשויות מעופרת או חומר המכיל עופרת, סוג סוללה זה מכונה לעתים קרובות סוללת עופרת-חומצה. הביצועים שלו, כלומר, גודל מתח המוצא, נקבעים ישירות על ידי צפיפות הזרם של חומצה גופרתית (ק"ג/מ"ק או ג'/ס"מ3) שמולאה בסוללה כאלקטרוליט.
מה קורה לאלקטרוליט כשהסוללה מתרוקנת
אלקטרוליט סוללת העופרת-חומצה הוא תמיסה של חומצה גופרתית מהסוללה במים מזוקקים טהורים מבחינה כימית בריכוז של 30% בטעינה מלאה. לחומצה טהורה יש צפיפות של 1.835 גרם/ס"מ3, אלקטרוליט הוא בערך 1.300 גרם/ס"מ3. כאשר הסוללה מתרוקנת מתרחשות בה תגובות אלקטרוכימיות, כתוצאה מהן נלקחת חומצה גופרתית מהאלקטרוליט. צפיפות ריכוז התמיסה תלויה כמעט באופן פרופורציונלי, ולכן היא אמורה לרדת עקב ירידה בריכוז האלקטרוליטים.
כל עוד זרם הפריקה זורם דרך הסוללה, נעשה שימוש פעיל בחומצה ליד האלקטרודות שלה, והאלקטרוליט הופך לדלל יותר ויותר. פיזור של חומצה מנפח האלקטרוליט כולו ואל לוחות האלקטרודות שומר על עוצמה קבועה בערך של תגובות כימיות וכתוצאה מכך, הפלטמתח.
בתחילת תהליך הפריקה, דיפוזיה של חומצה מהאלקטרוליט אל הלוחות מתרחשת במהירות מכיוון שהסולפט שנוצר עדיין לא סתם את הנקבוביות בחומר הפעיל של האלקטרודות. כאשר סולפט מתחיל להיווצר ולמלא את הנקבוביות של האלקטרודות, הדיפוזיה מתרחשת לאט יותר.
באופן תיאורטי, אתה יכול להמשיך את הפריקה עד שכל החומצה נגמרת והאלקטרוליט הוא מים טהורים. עם זאת, הניסיון מלמד שאין להמשיך בפריקות לאחר שצפיפות האלקטרוליט ירדה ל-1.150 גרם/ס מ3.
כשהצפיפות יורדת מ-1,300 ל-1,150, זה אומר שכל כך הרבה סולפט נוצר במהלך התגובות, והוא ממלא את כל הנקבוביות בחומרים הפעילים על הלוחות, כלומר כמעט כל חומצה גופרתית. הצפיפות תלויה בריכוז באופן פרופורציונלי, ובאותו אופן טעינת הסוללה תלויה בצפיפות. על איור. התלות של טעינת הסוללה בצפיפות האלקטרוליטים מוצגת להלן.
שינוי צפיפות האלקטרוליט הוא האמצעי הטוב ביותר לקביעת מצב הפריקה של סוללה, בתנאי שמשתמשים בה כראוי.
דרגות פריקה של מצבר לרכב בהתאם לצפיפות האלקטרוליט
יש למדוד את הצפיפות שלו כל שבועיים ויש לרשום את הקריאות ברציפות לעיון עתידי.
ככל שהאלקטרוליט צפוף יותר, כך הוא מכיל יותר חומצה, והסוללה טעונה יותר. צפיפות ב-1.300-1.280 גרם/ס מ3מציין טעינה מלאה. ככלל, דרגות פריקת הסוללה הבאות נבדלות בהתאם לצפיפות האלקטרוליט:
- 1, 300-1, 280 - טעון מלא:
- 1, 280-1, 200 - יותר מחצי ריק;
- 1, 200-1, 150 - פחות מחצי מלא;
- 1, 150 - כמעט ריק.
לסוללה טעונה במלואה יש מתח של 2.5 עד 2.7 וולט לתא לפני חיבורה לרשת הרכב שלה. ברגע שמתחבר עומס, המתח יורד במהירות לכ-2.1 וולט תוך שלוש או ארבע דקות. הדבר נובע מהיווצרות שכבה דקה של עופרת גופרתית על פני לוחות האלקטרודה השליליות ובין שכבת החמצן העופרת למתכת הלוחות החיוביים. הערך הסופי של מתח התא לאחר חיבור לרשת הרכב הוא כ-2.15-2.18 וולט.
כאשר מתחיל לזרום זרם דרך הסוללה במהלך שעת הפעולה הראשונה, יש ירידת מתח ל-2V, עקב עלייה בהתנגדות הפנימית של התאים עקב היווצרות של יותר סולפט, שמתמלא הנקבוביות של הלוחות, והסרה של חומצה מהאלקטרוליט. זמן קצר לפני תחילת זרימת הזרם, צפיפות האלקטרוליט היא מקסימלית ושווה ל-1.300 גרם/ס מ3. בהתחלה, הנדירות שלו מתרחשת במהירות, אבל אז נוצר מצב מאוזן בין צפיפות החומצה ליד הלוחות ובנפח העיקרי של האלקטרוליט, הסרת החומצה על ידי האלקטרודות נתמכת על ידי אספקת חלקים חדשים של חומצה מהחלק העיקרי של האלקטרוליט. במקרה זה, הצפיפות הממוצעת של האלקטרוליטממשיך לרדת בהתמדה בהתאם לתלות המוצגת באיור. גבוה יותר. לאחר הירידה הראשונית, המתח יורד לאט יותר, קצב הירידה תלוי בעומס על הסוללה. גרף הזמן של תהליך הפריקה מוצג באיור. למטה.
ניטור מצב האלקטרוליט בסוללה
הידרומטר משמש לקביעת הצפיפות. הוא מורכב מצינור זכוכית אטום קטן עם הרחבה בקצה התחתון מלא בזריקה או כספית וסולם מדורג בקצה העליון. סולם זה מסומן בין 1.100 ל-1.300 עם ערכים שונים ביניהם, כפי שמוצג באיור. לְהַלָן. אם הידרומטר הזה מונח באלקטרוליט, הוא ישקע לעומק מסוים. בכך הוא יעקור נפח מסוים של אלקטרוליט, וכאשר יגיע למצב שיווי משקל, משקל הנפח הנעקר פשוט יהיה שווה למשקל ההידרומטר. מכיוון שצפיפות האלקטרוליט שווה ליחס משקלו לנפח, ומשקל ההידרומטר ידוע, כל רמה של טבילתו בתמיסה מתאימה לצפיפות מסוימת.
לחלק מהידרומטרים אין סולם עם ערכי צפיפות, אך הם מסומנים בכתובות: "טעון", "חצי פריקה", "פריקה מלאה" או דומה.
