حامض الكبريتيك المخفف والمركّز من المواد الكيميائية المهمة لدرجة أن العالم ينتج منها أكثر من أي مادة أخرى. يمكن قياس الثروة الاقتصادية لأي بلد بكمية حامض الكبريتيك الذي ينتجه.
عملية التفكك
يستخدم حامض الكبريتيك في شكل محاليل مائية بتركيزات مختلفة. يخضع لتفاعل تفكك في خطوتين ، ينتج H+أيونات في المحلول.
H2SO4=H++ HSO4-؛
HSO4-=H++ SO4-2.
حمض الكبريتيك قوي ، والمرحلة الأولى من تفككه شديدة لدرجة أن جميع الجزيئات الأصلية تقريبًا تتحلل إلى H+- أيونات و H SO4 -1أيونات (hydrosulfate) في المحلول. يتحلل الأخير جزئيًا بشكل أكبر ، ويطلق H+-ion ويترك أيون كبريتات (SO4-2) في الحل. ومع ذلك ، فإن كبريتات الهيدروجين ، كونها حمض ضعيف ، لا تزال سائدة.في الحل فوق H+و SO4-2. يحدث تفككه الكامل فقط عندما تقترب كثافة محلول حامض الكبريتيك من كثافة الماء ، أي مع تخفيف قوي.
خصائص حامض الكبريتيك
خاص لأنه يمكن أن يعمل كحمض عادي أو كعامل مؤكسد قوي ، حسب درجة حرارته وتركيزه. يتفاعل محلول مخفف بارد لحمض الكبريتيك مع المعادن النشطة لتكوين ملح (كبريتات) وإطلاق غاز الهيدروجين. على سبيل المثال ، يبدو التفاعل بين المخفف البارد H2SO4(بافتراض تفككه الكامل على مرحلتين) والزنك المعدني كما يلي:
Zn + H2SO4= ZnSO4+ H2.
حمض الكبريتيك المركز الساخن ، بكثافة حوالي 1.8 جم / سم3، يمكن أن يعمل كعامل مؤكسد ، يتفاعل مع المواد التي عادة ما تكون خاملة للأحماض ، مثل مثل النحاس المعدني. أثناء التفاعل ، يتأكسد النحاس ، وتقل كتلة الحمض ، يتشكل محلول من كبريتات النحاس (II) في الماء وثاني أكسيد الكبريت الغازي (SO2) بدلاً من الهيدروجين ، وهو أمر متوقع عندما يتفاعل الحمض مع المعدن
Cu + 2H2SO4=CuSO4+ SO2+ 2H2O.
كيف يتم التعبير عن تركيز الحلول بشكل عام
في الواقع ، يمكن التعبير عن تركيز أي محلول بشكل مختلفالطرق ، ولكن تركيز الوزن الأكثر استخدامًا. يوضح عدد جرامات المذاب في كتلة أو حجم معين من محلول أو مذيب (عادة 1000 جم ، 1000 سم3، 100 سم3 و 1 dm3 ). بدلاً من كتلة المادة بالجرام ، يمكنك أخذ مقدارها معبراً عنها بالمولات - ثم تحصل على التركيز المولي لكل 1000 جم أو 1 ديسيمتر3محلول.
إذا كان التركيز المولي محددًا ليس فيما يتعلق بكمية المحلول ، ولكن بالنسبة للمذيب فقط ، فإنه يسمى مولالي المحلول. يتميز بالاستقلال عن درجة الحرارة.
في كثير من الأحيان ، يشار إلى تركيز الوزن بالجرام لكل 100 جرام من المذيب. بضرب هذا الرقم في 100٪ ، تحصل عليه في النسبة المئوية للوزن (نسبة التركيز). هذه الطريقة هي الأكثر استخدامًا في التطبيق على محاليل حامض الكبريتيك.
تتوافق كل قيمة لتركيز المحلول المحدد عند درجة حرارة معينة مع كثافته المحددة جدًا (على سبيل المثال ، كثافة محلول حمض الكبريتيك). لذلك ، في بعض الأحيان يتميز الحل بدقة به. على سبيل المثال ، محلول H2SO4، يتميز بنسبة تركيز 95.72٪ ، بكثافة 1.835 جم / سم3عند t=20 درجة مئوية. كيف نحدد تركيز هذا المحلول ، إذا أعطيت كثافة حامض الكبريتيك فقط؟ الجدول الذي يعطي مثل هذه المراسلات هو جزء لا يتجزأ من أي كتاب مدرسي في الكيمياء العامة أو التحليلية.
مثال على تحويل التركيز
دعونا نحاول الانتقال من طريقة واحدة للتعبير عن التركيزحل لآخر. لنفترض أن لدينا حل H2SO4 في الماء بنسبة تركيز 60٪. أولاً ، نحدد الكثافة المقابلة لحمض الكبريتيك. جدول يحتوي على النسبة المئوية للتركيزات (العمود الأول) والكثافة المقابلة لمحلول مائي من H2SO4(العمود الرابع) موضح أدناه.
منه نحدد القيمة المرغوبة ، والتي تساوي 1 ، 4987 جم / سم3. دعونا الآن نحسب مولارية هذا الحل. للقيام بذلك ، من الضروري تحديد كتلة H2SO4 في 1 لتر من المحلول والعدد المقابل من مولات الحمض.
الحجم الذي يشغله 100 جرام من محلول المخزون:
100/1، 4987=66.7 مل.
بما أن 66.7 ملليلترًا من محلول 60٪ يحتوي على 60 جرامًا من الحمض ، فإن 1 لترًا منه يحتوي على:
(60/66، 7) × 1000=899.55
الوزن المولي لحمض الكبريتيك هو 98. ومن ثم فإن عدد المولات الموجودة في 899.55 جم من جراماته سيكون:
899، 55/98=9، 18 مول.
يظهر اعتماد كثافة حامض الكبريتيك على التركيز في الشكل. أدناه.
استخدام حامض الكبريتيك
يتم تطبيقه في مختلف الصناعات. في إنتاج الحديد والصلب ، يتم استخدامه لتنظيف سطح المعدن قبل أن يتم تغطيته بمادة أخرى ، ويشارك في تكوين الأصباغ الاصطناعية ، وكذلك أنواع أخرى من الأحماض ، مثل الهيدروكلوريك والنتريك. هي ايضايستخدم في صناعة المستحضرات الصيدلانية والأسمدة والمتفجرات ، كما أنه عامل مهم في إزالة الشوائب من النفط في صناعة تكرير النفط.
هذه المادة الكيميائية مفيدة بشكل لا يصدق في المنزل ، وهي متوفرة بسهولة كمحلول حمض الكبريتيك المستخدم في بطاريات حمض الرصاص (مثل تلك الموجودة في السيارات). عادةً ما يحتوي هذا الحمض على تركيز من حوالي 30٪ إلى 35٪ H2SO4بالوزن ، والباقي عبارة عن ماء.
بالنسبة للعديد من التطبيقات المنزلية ، سيكون 30٪ H2SO4أكثر من كافٍ لتلبية احتياجاتك. ومع ذلك ، تتطلب الصناعة أيضًا تركيزًا أعلى بكثير من حامض الكبريتيك. عادة ، أثناء عملية الإنتاج ، يتضح أولاً أنها مخففة تمامًا وملوثة بالشوائب العضوية. يتم الحصول على الحمض المركز على مرحلتين: أولاً يتم رفعه إلى 70٪ ، ثم - في المرحلة الثانية - يتم رفعه إلى 96-98٪ ، وهو الحد الأقصى للإنتاج المجدي اقتصاديًا.
كثافة حامض الكبريتيك ودرجاته
على الرغم من أنه يمكن الحصول على ما يقرب من 99 ٪ من حمض الكبريتيك لفترة وجيزة عن طريق الغليان ، فإن الخسارة اللاحقة لـ SO3عند نقطة الغليان تقلل التركيز إلى 98.3 ٪. بشكل عام ، التنوع 98٪ أكثر استقرارًا في التخزين.
تختلف الدرجات التجارية للحمض في النسبة المئوية لتركيزه ، وبالنسبة لها يتم اختيار تلك القيم التي تكون فيها درجات حرارة التبلور ضئيلة. يتم ذلك لتقليل ترسيب بلورات حامض الكبريتيك.الرواسب أثناء النقل والتخزين. الأصناف الرئيسية هي:
- برج (نيتروز) - 75٪. كثافة حامض الكبريتيك من هذه الدرجة هي 1670 كجم / م3. احصل عليه ما يسمى. طريقة النيتروز ، التي يتم فيها معالجة غاز التحميص الذي يتم الحصول عليه أثناء تحميص المواد الخام الأولية ، والذي يحتوي على ثاني أكسيد الكبريت SO2، في أبراج مبطنة (ومن هنا جاء اسم الصنف) بالنيتروز (هذا هو أيضًا H2SO4، ولكن مع أكاسيد النيتروجين المذابة فيه). نتيجة لذلك ، يتم إطلاق أكاسيد الحمض والنيتروجين ، والتي لا يتم استهلاكها في العملية ، ولكن يتم إرجاعها إلى دورة الإنتاج.
- جهة اتصال - 92، 5-98، 0٪. كثافة حمض الكبريتيك 98٪ من هذه الدرجة 1836.5 كجم / م3. يتم الحصول عليه أيضًا من تحميص الغاز الذي يحتوي على SO2، وتشمل العملية أكسدة ثاني أكسيد إلى أنهيدريد SO3عندما يتلامس (وبالتالي اسم الصنف) بعدة طبقات من محفز الفاناديوم الصلب.
- أوليوم - 104.5٪. كثافته 1896.8 كجم / م3. هذا هو حل SO3في H2SO4، حيث يحتوي المكون الأول على 20 ٪ ، والأحماض - بالضبط 104.5٪.
- نسبة عالية من زيت الزيتون - 114.6٪. كثافته 2002 كجم / م3.
- البطارية - 92-94٪.
كيف تعمل بطارية السيارة
تشغيل هذا واحد من أكثر الأجهزة الكهربائية ضخامة يعتمد بالكامل على العمليات الكهروكيميائية التي تحدث في وجود محلول مائي لحمض الكبريتيك.
تحتوي بطارية السيارة على إلكتروليت حامض الكبريتيك المخفف وأقطاب موجبة وسالبة على شكل عدة ألواح. الصفائح الموجبة مصنوعة من مادة بنية ضاربة إلى الحمرة - ثاني أكسيد الرصاص (PbO2) ، والألواح السالبة مصنوعة من الرصاص "الإسفنجي" الرمادي (Pb).
نظرًا لأن الأقطاب الكهربائية مصنوعة من مادة تحتوي على الرصاص أو تحتوي على الرصاص ، يُشار إلى هذا النوع من البطاريات غالبًا باسم بطارية الرصاص الحمضية. يتم تحديد أدائها ، أي حجم جهد الخرج ، مباشرة من خلال الكثافة الحالية لحمض الكبريتيك (كجم / م 3 أو جم / سم3) المملوءة بالبطارية كإلكتروليت.
ماذا يحدث للكهارل عند تفريغ البطارية
إلكتروليت بطارية الرصاص الحمضية عبارة عن محلول من حامض الكبريتيك للبطارية في ماء مقطر نقي كيميائيًا بتركيز 30٪ عند الشحن الكامل. حمض نقي له كثافة 1.835 جم / سم3، المنحل بالكهرباء حوالي 1.300 جم / سم3. عندما يتم تفريغ البطارية ، تحدث تفاعلات كهروكيميائية فيها ، ونتيجة لذلك يتم أخذ حامض الكبريتيك من المنحل بالكهرباء. تعتمد كثافة تركيز المحلول بشكل متناسب تقريبًا ، لذلك يجب أن تنخفض بسبب انخفاض تركيز الإلكتروليت.
طالما يتدفق تيار التفريغ عبر البطارية ، يتم استخدام الحمض بالقرب من أقطابها بشكل نشط ، ويصبح المنحل بالكهرباء مخففًا أكثر فأكثر. يحافظ انتشار الحمض من حجم المنحل بالكهرباء بأكمله وإلى ألواح القطب الكهربائي على كثافة ثابتة تقريبًا للتفاعلات الكيميائية ، ونتيجة لذلك ، الناتجالجهد
في بداية عملية التفريغ ، ينتشر الحمض من الإلكتروليت إلى الألواح بسرعة لأن الكبريتات الناتجة لم تسد المسام في المادة الفعالة للأقطاب الكهربائية. عندما تبدأ الكبريتات في التكوين وملء مسام الأقطاب الكهربائية ، يحدث الانتشار بشكل أبطأ.
نظريًا ، يمكنك الاستمرار في التفريغ حتى يتم استخدام كل الأحماض ويصبح المنحل بالكهرباء ماءًا نقيًا. ومع ذلك ، تظهر التجربة أن التفريغ لا ينبغي أن يستمر بعد انخفاض كثافة المنحل بالكهرباء إلى 1.150 جم / سم3.
عندما تنخفض الكثافة من 1 ، 300 إلى 1 ، 150 ، فهذا يعني أن الكثير من الكبريتات تكونت أثناء التفاعلات ، وتملأ جميع المسام في المواد الفعالة على الألواح ، أي تقريبًا حمض الكبريتيك. تعتمد الكثافة على التركيز بشكل متناسب ، وبنفس الطريقة يعتمد شحن البطارية على الكثافة. على التين. يظهر اعتماد شحن البطارية على كثافة المنحل بالكهرباء أدناه.
تغيير كثافة المنحل بالكهرباء أفضل وسيلة لتحديد حالة تفريغ البطارية بشرط استخدامها بشكل صحيح.
درجات تفريغ بطارية السيارة حسب كثافة المنحل بالكهرباء
يجب قياس كثافته كل أسبوعين ويجب تسجيل القراءات بشكل مستمر للرجوع إليها في المستقبل.
كلما زادت كثافة المنحل بالكهرباء ، زادت نسبة الأحماض التي يحتوي عليها ، وزادت شحن البطارية. الكثافة في 1.300-1.280 جم / سم3 يشير إلى الشحن الكامل. كقاعدة عامة ، يتم تمييز الدرجات التالية من تفريغ البطارية اعتمادًا على كثافة المنحل بالكهرباء:
- 1، 300-1، 280 - مشحونة بالكامل:
- 1، 280-1، 200 - أكثر من نصف فارغة ؛
- 1 ، 200-1 ، 150 - أقل من نصف ممتلئ ؛
- 1، 150 - شبه فارغ
تحتوي البطارية المشحونة بالكامل على جهد كهربائي يتراوح من 2.5 إلى 2.7 فولت لكل خلية قبل توصيلها بشبكة السيارة ، وبمجرد توصيل الحمل ، ينخفض الجهد بسرعة إلى حوالي 2.1 فولت في غضون ثلاث أو أربع دقائق. ويرجع ذلك إلى تكوين طبقة رقيقة من كبريتات الرصاص على سطح لوحات القطب السالب وبين طبقة فوق أكسيد الرصاص ومعدن الصفائح الموجبة. القيمة النهائية لجهد الخلية بعد الاتصال بشبكة السيارة حوالي 2.15 - 2.18 فولت
عندما يبدأ التيار في التدفق عبر البطارية خلال الساعة الأولى من التشغيل ، يحدث انخفاض في الجهد إلى 2 فولت ، بسبب زيادة المقاومة الداخلية للخلايا نتيجة تكوين المزيد من الكبريتات التي تملأ مسام الصفائح ، وإزالة الحمض من المنحل بالكهرباء. قبل وقت قصير من بدء تدفق التيار ، تكون كثافة المنحل بالكهرباء قصوى وتساوي 1.300 جم / سم3. في البداية ، يحدث تخلخله بسرعة ، ولكن بعد ذلك يتم إنشاء حالة متوازنة بين كثافة الحمض بالقرب من الصفائح وفي الحجم الرئيسي للإلكتروليت ، يتم دعم إزالة الحمض بواسطة الأقطاب الكهربائية عن طريق توفير أجزاء جديدة من حمض من الجزء الرئيسي من المنحل بالكهرباء. في هذه الحالة ، متوسط كثافة المنحل بالكهرباءيستمر في الانخفاض بشكل مطرد وفقًا للاعتماد الموضح في الشكل. أعلى. بعد الانخفاض الأولي ، ينخفض الجهد بشكل أبطأ ، ويعتمد معدل الانخفاض على الحمل على البطارية. يظهر الرسم البياني الزمني لعملية التفريغ في الشكل. أدناه.
مراقبة حالة المنحل بالكهرباء في البطارية
يستخدم مقياس كثافة السوائل لتحديد الكثافة. وهو يتألف من أنبوب زجاجي صغير مختوم مع تمدد في الطرف السفلي مملوء بالرصاص أو الزئبق ومقياس متدرج في الطرف العلوي. تمت تسمية هذا المقياس من 1.100 إلى 1.300 بقيم مختلفة بينهما ، كما هو موضح في الشكل. أقل. إذا تم وضع هذا المكثاف في إلكتروليت ، فسوف يغوص إلى عمق معين. عند القيام بذلك ، سيؤدي ذلك إلى إزاحة حجم معين من الإلكتروليت ، وعندما يتم الوصول إلى وضع التوازن ، فإن وزن الحجم المزاح سيكون ببساطة مساويًا لوزن مقياس السوائل. نظرًا لأن كثافة الإلكتروليت تساوي نسبة وزنه إلى الحجم ، ووزن مقياس كثافة السوائل معروف ، فإن كل مستوى من مستويات غمره في المحلول يتوافق مع كثافة معينة.
لا تحتوي بعض أجهزة قياس السوائل على مقياس بقيم كثافة ، ولكن يتم تمييزها بالنقوش: "مشحونة" ، "نصف تفريغ" ، "تفريغ كامل" أو ما شابه ذلك.
