Zředěná a koncentrovaná kyselina sírová jsou tak důležité chemikálie, že jich svět produkuje více než jakékoli jiné látky. Ekonomické bohatství země lze měřit množstvím kyseliny sírové, které produkuje.
Proces oddělení
Kyselina sírová se používá ve formě vodných roztoků různých koncentrací. Prochází disociační reakcí ve dvou krocích za vzniku iontů H+ v roztoku.
H2SO4 =H+ + HSO4 -;
HSO4- =H + + SO4 -2.
Kyselina sírová je silná a první fáze její disociace je tak intenzivní, že se téměř všechny původní molekuly rozkládají na H+-ionty a HSO 4-1 -iontů (hydrosíran) v roztoku. Ten se částečně dále rozkládá, uvolňuje další H+-ion a zanechává síranový iont (SO4-2) v roztoku. Stále však převládá hydrogensíran, který je slabou kyselinou.v řešení nad H+ a SO4-2. K jeho úplné disociaci dochází pouze tehdy, když se hustota roztoku kyseliny sírové blíží hustotě vody, tedy při silném zředění.
Vlastnosti kyseliny sírové
Je speciální tím, že může působit jako normální kyselina nebo jako silné oxidační činidlo v závislosti na teplotě a koncentraci. Studený zředěný roztok kyseliny sírové reaguje s aktivními kovy za vzniku soli (síranu) a uvolňuje plynný vodík. Například reakce mezi studeným zředěným H2SO4 (za předpokladu jeho úplné dvoustupňové disociace) a kovovým zinkem vypadá takto:
Zn + H2SO4 = ZnSO4+ H2.
Horká koncentrovaná kyselina sírová, s hustotou asi 1,8 g/cm3, může působit jako oxidační činidlo a reagovat s materiály, které jsou normálně inertní vůči kyselinám, jako např. jako kovová měď. Během reakce se měď oxiduje a hmotnost kyseliny klesá, vzniká roztok síranu měďnatého ve vodě a plynný oxid siřičitý (SO2) místo vodíku, což by se dalo očekávat, když kyselina reaguje s kovem.
Cu + 2H2SO4 =CuSO4 + SO 2 + 2H2 O.
Jak se obecně vyjadřuje koncentrace roztoků
Ve skutečnosti může být koncentrace jakéhokoli roztoku vyjádřena různězpůsoby, ale nejpoužívanější hmotnostní koncentrace. Ukazuje počet gramů rozpuštěné látky v dané hmotnosti nebo objemu roztoku nebo rozpouštědla (obvykle 1000 g, 1000 cm3, 100 cm3 a 1 dm 3). Místo hmotnosti látky v gramech můžete vzít její množství vyjádřené v molech - pak získáte molární koncentraci na 1000 g nebo 1 dm3 roztok.
Pokud molární koncentrace není definována ve vztahu k množství roztoku, ale pouze k rozpouštědlu, pak se nazývá molalita roztoku. Vyznačuje se nezávislostí na teplotě.
Často je hmotnostní koncentrace uváděna v gramech na 100 g rozpouštědla. Vynásobením tohoto čísla 100 % získáte hmotnostní procento (procentní koncentraci). Právě tato metoda se nejčastěji používá při aplikaci na roztoky kyseliny sírové.
Každá hodnota koncentrace roztoku stanovená při dané teplotě odpovídá jeho velmi specifické hustotě (např. hustotě roztoku kyseliny sírové). Proto se někdy řešení vyznačuje právě tím. Například roztok H2SO4, charakterizovaný procentuální koncentrací 95,72 %, má hustotu 1,835 g/cm 3 při t=20 °С. Jak určit koncentraci takového roztoku, je-li uvedena pouze hustota kyseliny sírové? Tabulka s takovou korespondencí je nedílnou součástí každé učebnice obecné nebo analytické chemie.
Příklad konverze koncentrace
Zkusme přejít od jednoho způsobu vyjádření koncentraceřešení k jinému. Předpokládejme, že máme roztok H2SO4 ve vodě s procentuální koncentrací 60 %. Nejprve určíme odpovídající hustotu kyseliny sírové. Níže je uvedena tabulka obsahující procentuální koncentrace (první sloupec) a jejich odpovídající hustoty vodného roztoku H2SO4 (čtvrtý sloupec).
Z toho určíme požadovanou hodnotu, která se rovná 1,4987 g/cm3. Vypočítejme nyní molaritu tohoto roztoku. K tomu je nutné určit hmotnost H2SO4 v 1 litru roztok a odpovídající počet molů kyseliny.
Objem obsazený 100 g zásobního roztoku:
100 / 1, 4987=66,7 ml.
Vzhledem k tomu, že 66,7 mililitrů 60% roztoku obsahuje 60 g kyseliny, 1 litr z toho bude obsahovat:
(60 / 66, 7) x 1000=899,55
Molární hmotnost kyseliny sírové je 98. Počet molů obsažených v 899,55 g jejích gramů tedy bude:
899, 55 / 98=9, 18 mol.
Závislost hustoty kyseliny sírové na koncentraci je znázorněna na Obr. níže.
Používání kyseliny sírové
Uplatňuje se v různých průmyslových odvětvích. Při výrobě železa a oceli se používá k čištění povrchu kovu před jeho potažením jinou látkou, podílí se na tvorbě syntetických barviv, ale i jiných druhů kyselin, jako je chlorovodíková a dusičná. Ona takypoužívá se při výrobě léčiv, hnojiv a výbušnin a je také důležitým činidlem při odstraňování nečistot z ropy v průmyslu rafinace ropy.
Tato chemikálie je neuvěřitelně užitečná v domácnosti a je snadno dostupná jako roztok kyseliny sírové používaný v olověných bateriích (jako jsou ty, které se nacházejí v autech). Taková kyselina má obvykle koncentraci asi 30 % až 35 % hmotnostních H2SO 4, přičemž zbytek tvoří voda.
U mnoha domácích aplikací bude 30 % H2SO4 více než dostatečné k uspokojení vašich potřeb. Průmysl však také vyžaduje mnohem vyšší koncentraci kyseliny sírové. Obvykle se během výrobního procesu nejprve ukáže, že je značně zředěný a znečištěný organickými nečistotami. Koncentrovaná kyselina se získává ve dvou fázích: nejprve se upraví na 70 % a poté – ve druhé fázi – se zvýší na 96–98 %, což je limit pro ekonomicky životaschopnou výrobu.
Hustota kyseliny sírové a jejích stupňů
Přestože téměř 99% kyseliny sírové lze krátce získat varem, následná ztráta SO3 při bodu varu snižuje koncentraci na 98,3 %. Obecně platí, že 98% odrůda je stabilnější při skladování.
Komerční druhy kyselin se liší svou procentuální koncentrací a pro ně se volí hodnoty, při kterých jsou krystalizační teploty minimální. To se provádí za účelem snížení srážení krystalů kyseliny sírové.sediment během přepravy a skladování. Hlavní odrůdy jsou:
- Věž (dusitá) - 75 %. Hustota kyseliny sírové této jakosti je 1670 kg/m3. Získejte to tzv. nitrózní metoda, při které se pražící plyn získaný při pražení primárních surovin, obsahující oxid siřičitý SO2, ve vyložených věžích (odtud název odrůdy) upravuje dusíkem (tento je také H2 SO4, ale s oxidy dusíku rozpuštěnými v něm). V důsledku toho se uvolňují kyseliny a oxidy dusíku, které se při procesu nespotřebovávají, ale vracejí se do výrobního cyklu.
- Kontakt – 92, 5-98, 0 %. Hustota 98% kyseliny sírové této jakosti je 1836,5 kg/m3. Získává se také z pražícího plynu obsahujícího SO2 a proces zahrnuje oxidaci oxidu na anhydrid SO3 , když se dostane do kontaktu (proto název odrůdy) s několika vrstvami pevného vanadiového katalyzátoru.
- Oleum – 104,5 %. Jeho hustota je 1896,8 kg/m3. Toto je řešení SO3 v H2SO4, ve kterém první složka obsahuje 20 %, a kyseliny – přesně 104,5 %.
- Vysoké procento olea – 114,6 %. Jeho hustota je 2002 kg/m3.
- Baterie – 92–94 %.
Jak funguje autobaterie
Fungování tohoto jednoho z nejmasivnějších elektrických zařízení je zcela založeno na elektrochemických procesech probíhajících v přítomnosti vodného roztoku kyseliny sírové.
Autobaterie obsahuje zředěný elektrolyt kyseliny sírové akladné a záporné elektrody ve formě několika desek. Pozitivní desky jsou vyrobeny z červenohnědého materiálu - oxidu olovnatého (PbO2) a negativní desky jsou vyrobeny z šedavě "houbovitého" olova (Pb).
Protože jsou elektrody vyrobeny z olova nebo materiálu obsahujícího olovo, je tento typ baterie často označován jako olověná baterie. Jeho výkon, tj. velikost výstupního napětí, je přímo určován proudovou hustotou kyseliny sírové (kg/m3 nebo g/cm3) naplněné do baterie jako elektrolyt.
Co se stane s elektrolytem, když je baterie vybitá
Elektrolyt olověné baterie je roztok kyseliny sírové z baterie v chemicky čisté destilované vodě o koncentraci 30 % při plném nabití. Čistá kyselina má hustotu 1,835 g/cm3, elektrolyt je asi 1,300 g/cm3. Při vybití baterie v ní probíhají elektrochemické reakce, v jejichž důsledku se z elektrolytu odebírá kyselina sírová. Hustota koncentrace roztoku závisí téměř úměrně, takže by se měla snížit kvůli poklesu koncentrace elektrolytu.
Dokud vybíjecí proud protéká baterií, je kyselina v blízkosti jejích elektrod aktivně využívána a elektrolyt se stále více ředí. Difúzí kyseliny z objemu celého elektrolytu a do elektrodových desek se udržuje přibližně konstantní intenzita chemických reakcí a v důsledku toho i výstupnapětí.
Na začátku procesu vybíjení dochází k rychlé difúzi kyseliny z elektrolytu do desek, protože vzniklý síran ještě neucpal póry v aktivním materiálu elektrod. Jak se síran začíná tvořit a vyplňovat póry elektrod, difúze probíhá pomaleji.
Teoreticky můžete pokračovat ve vybíjení, dokud se nespotřebuje veškerá kyselina a elektrolyt je čistá voda. Zkušenosti však ukazují, že vybíjení by nemělo pokračovat poté, co hustota elektrolytu poklesne na 1,150 g/cm3.
Když hustota klesne z 1 300 na 1 150, znamená to, že se během reakcí vytvořilo tolik síranu, který vyplní všechny póry v aktivních materiálech na deskách, tedy téměř veškerou kyselinu sírovou. Hustota závisí na koncentraci úměrně a stejným způsobem závisí nabití baterie na hustotě. Na Obr. Závislost nabití baterie na hustotě elektrolytu je uvedena níže.
Změna hustoty elektrolytu je nejlepším prostředkem k určení stavu vybití baterie za předpokladu, že je používána správně.
Stupně vybití autobaterie v závislosti na hustotě elektrolytu
Jeho hustota by se měla měřit každé dva týdny a naměřené hodnoty by měly být průběžně zaznamenávány pro budoucí použití.
Čím je elektrolyt hustší, tím více kyseliny obsahuje a tím více je baterie nabitá. Hustota v 1,300-1,280 g/cm3indikuje plné nabití. V závislosti na hustotě elektrolytu se zpravidla rozlišují následující stupně vybití baterie:
- 1, 300-1, 280 – plně nabito:
- 1, 280-1, 200 – více než poloprázdné;
- 1, 200-1, 150 – méně než z poloviny plné;
- 1, 150 – téměř prázdné.
Plně nabitá baterie má před připojením k automobilové síti napětí 2,5 až 2,7 V. Jakmile je připojena zátěž, napětí během tří až čtyř minut rychle klesne na přibližně 2,1 V. To je způsobeno tvorbou tenké vrstvy síranu olovnatého na povrchu desek záporné elektrody a mezi vrstvou peroxidu olova a kovem kladných desek. Konečná hodnota napětí článku po připojení k automobilové síti je asi 2,15-2,18 voltů.
Když během první hodiny provozu začne akumulátorem protékat proud, dojde k poklesu napětí na 2 V, v důsledku zvýšení vnitřního odporu článků v důsledku tvorby většího množství síranu, který vyplňuje póry desek a odstranění kyseliny z elektrolytu. Krátce před začátkem toku proudu je hustota elektrolytu maximální a rovná se 1 300 g/cm3. Nejprve rychle dojde k jejímu zředění, pak se však ustaví rovnovážný stav mezi hustotou kyseliny v blízkosti desek a v hlavním objemu elektrolytu, odstranění kyseliny elektrodami je podporováno přísunem nových částí elektrolytu. kyselina z hlavní části elektrolytu. V tomto případě průměrná hustota elektrolytustále plynule klesá podle závislosti znázorněné na obr. vyšší. Po počátečním poklesu napětí klesá pomaleji, rychlost poklesu závisí na zatížení baterie. Časový graf procesu vybíjení je znázorněn na Obr. níže.
Sledování stavu elektrolytu v baterii
K určení hustoty se používá hustoměr. Skládá se z malé zatavené skleněné trubice s expanzí na spodním konci naplněnou brokem nebo rtutí a se stupnicí na horním konci. Tato stupnice je označena od 1 100 do 1 300 s různými hodnotami mezi nimi, jak je znázorněno na obr. níže. Pokud je tento hustoměr umístěn do elektrolytu, klesne do určité hloubky. Při tom vytlačí určitý objem elektrolytu a při dosažení rovnovážné polohy se váha vytlačeného objemu bude jednoduše rovnat váze hustoměru. Protože hustota elektrolytu je rovna poměru jeho hmotnosti k objemu a hmotnost hustoměru je známá, každá úroveň jeho ponoření do roztoku odpovídá určité hustotě.
Některé hustoměry nemají stupnici s hodnotami hustoty, ale jsou označeny nápisy: "Nabito", "Poloviční vybití", "Plné vybití" nebo podobně.
