ความเข้มข้นและความหนาแน่นของกรดซัลฟิวริก. การพึ่งพาความหนาแน่นของกรดซัลฟิวริกกับความเข้มข้นในแบตเตอรี่รถยนต์

2024 ผู้เขียน: Angel Austin | [email protected]. แก้ไขล่าสุด: 2023-12-17 05:43

กรดซัลฟิวริกเจือจางและเข้มข้นเป็นสารเคมีที่สำคัญอย่างยิ่งที่โลกผลิตขึ้นมากกว่าสารอื่นๆ ความมั่งคั่งทางเศรษฐกิจของประเทศสามารถวัดได้จากปริมาณกรดซัลฟิวริกที่ผลิตได้

กระบวนการแยกตัว

กรดซัลฟิวริกใช้ในรูปของสารละลายที่มีความเข้มข้นต่างๆ มันผ่านปฏิกิริยาการแยกตัวออกเป็นสองขั้นตอน ทำให้เกิด H⁺ ไอออนในสารละลาย

H₂SO₄ =H⁺ + HSO₄ ^-;

HSO₄^- =H ⁺ + SO₄ ^-2.

กรดซัลฟิวริกนั้นแรง และระยะแรกของการแยกตัวนั้นรุนแรงมากจนโมเลกุลดั้งเดิมเกือบทั้งหมดสลายตัวเป็น H⁺-ไอออน และ HSO ₄-1 ^{-ไอออน (ไฮโดรซัลเฟต) ในสารละลาย ส่วนหลังสลายตัวต่อไปอีกบางส่วน โดยปล่อย H}+^{-ion ออกมาอีกตัวและปล่อยให้ไอออนซัลเฟต (SO}4-2) ในสารละลาย อย่างไรก็ตาม ไฮโดรเจนซัลเฟตซึ่งเป็นกรดอ่อนๆ ยังคงมีชัยในสารละลายเหนือ H⁺ และ SO⁴_-2 การแตกตัวอย่างสมบูรณ์จะเกิดขึ้นก็ต่อเมื่อความหนาแน่นของสารละลายกรดซัลฟิวริกเข้าใกล้ความหนาแน่นของน้ำ นั่นคือด้วยการเจือจางอย่างแรง

คุณสมบัติของกรดซัลฟิวริก

สามารถทำหน้าที่เป็นกรดปกติหรือตัวออกซิไดซ์ที่แรงได้ขึ้นอยู่กับอุณหภูมิและความเข้มข้นของมัน สารละลายเจือจางเย็นของกรดซัลฟิวริกทำปฏิกิริยากับโลหะออกฤทธิ์เพื่อสร้างเกลือ (ซัลเฟต) และปล่อยก๊าซไฮโดรเจน ตัวอย่างเช่น ปฏิกิริยาระหว่างสารเจือจางแบบเย็น H₂SO₄ (สมมติว่ามีการแตกตัวแบบสองขั้นตอนโดยสมบูรณ์) และสังกะสีที่เป็นโลหะจะมีลักษณะดังนี้:

Zn + H₂SO₄ = ZnSO₄+ H₂.

กรดซัลฟิวริกเข้มข้นร้อน มีความหนาแน่นประมาณ 1.8 g/cm³ สามารถทำหน้าที่เป็นตัวออกซิไดซ์ ทำปฏิกิริยากับวัสดุที่ปกติเฉื่อยต่อกรด เช่น เหมือนทองแดงที่เป็นโลหะ ในระหว่างการทำปฏิกิริยา ทองแดงจะถูกออกซิไดซ์ และมวลของกรดลดลง สารละลายของคอปเปอร์ (II) ซัลเฟตในน้ำและก๊าซซัลเฟอร์ไดออกไซด์ (SO₂) แทนที่จะเป็นไฮโดรเจน ซึ่งคาดว่าเมื่อกรดทำปฏิกิริยากับโลหะ

Cu + 2H₂SO₄ =CuSO₄ + SO ₂ + 2H₂ O.

ความเข้มข้นของสารละลายโดยทั่วไปแสดงออกอย่างไร

ที่จริงแล้ว ความเข้มข้นของสารละลายใดๆ สามารถแสดงออกมาต่างกันได้วิธีแต่ใช้กันอย่างแพร่หลายมากที่สุดน้ำหนักความเข้มข้น. มันแสดงจำนวนกรัมของตัวถูกละลายในมวลหรือปริมาตรที่กำหนดของสารละลายหรือตัวทำละลาย (โดยปกติ 1000 g, 1000 cm³, 100 cm^{3 และ 1 dm} 3^{). แทนที่จะเป็นมวลของสารในหน่วยกรัม คุณสามารถใช้ปริมาณที่แสดงเป็นโมล จากนั้นคุณจะได้ความเข้มข้นของโมลาร์ต่อ 1,000 ก. หรือ 1 dm}3 ^solution.

หากความเข้มข้นของโมลาร์ถูกกำหนดโดยสัมพันธ์ไม่กับปริมาณของสารละลาย แต่เฉพาะกับตัวทำละลายเท่านั้น จะเรียกว่าโมลาลิตีของสารละลาย มีลักษณะเป็นอิสระจากอุณหภูมิ

บ่อยครั้ง ความเข้มข้นของน้ำหนักจะแสดงเป็นกรัมต่อตัวทำละลาย 100 กรัม การคูณตัวเลขนี้ด้วย 100% คุณจะได้เป็นเปอร์เซ็นต์ของน้ำหนัก (ความเข้มข้นเป็นเปอร์เซ็นต์) เป็นวิธีการนี้ที่มักใช้ในการประยุกต์ใช้กับสารละลายกรดซัลฟิวริก

ความเข้มข้นของสารละลายแต่ละค่าที่กำหนดที่อุณหภูมิที่กำหนดจะสัมพันธ์กับความหนาแน่นจำเพาะของมัน (เช่น ความหนาแน่นของสารละลายกรดซัลฟิวริก) ดังนั้นบางครั้งการแก้ปัญหาก็มีลักษณะเฉพาะอย่างแม่นยำ ตัวอย่างเช่น สารละลายของ H₂SO₄ ซึ่งมีความเข้มข้นร้อยละ 95.72% มีความหนาแน่น 1.835 g/cm 3 ^{ที่ t=20 °С. จะตรวจสอบความเข้มข้นของสารละลายดังกล่าวได้อย่างไรหากให้เฉพาะความหนาแน่นของกรดซัลฟิวริก? ตารางการโต้ตอบดังกล่าวเป็นส่วนสำคัญของหนังสือเรียนเกี่ยวกับเคมีทั่วไปหรือเคมีวิเคราะห์}

ตัวอย่างการแปลงสมาธิ

ลองขยับจากการแสดงสมาธิวิธีหนึ่งกันเถอะวิธีแก้ปัญหาอื่น สมมติว่าเรามีสารละลาย H₂SO₄ ในน้ำที่มีความเข้มข้นร้อยละ 60% อันดับแรก เรากำหนดความหนาแน่นที่สอดคล้องกันของกรดซัลฟิวริก ตารางที่มีเปอร์เซ็นต์ความเข้มข้น (คอลัมน์แรก) และความหนาแน่นที่สอดคล้องกันของสารละลายที่เป็นน้ำของ H₂SO₄ (คอลัมน์ที่สี่) แสดงอยู่ด้านล่าง

จากนั้นเราจะกำหนดค่าที่ต้องการซึ่งเท่ากับ 1, 4987 g/cm³ ตอนนี้ให้เราคำนวณโมลาริตีของสารละลายนี้ ในการทำเช่นนี้ จำเป็นต้องกำหนดมวลของ H₂SO₄ ใน 1 ลิตร สารละลายและจำนวนโมลของกรดที่สอดคล้องกัน

ปริมาณที่ถูกครอบครองโดยสารละลายสต็อก 100 กรัม:

100 / 1, 4987=66.7 มล.

ตั้งแต่ 66.7 มิลลิลิตรของสารละลาย 60% มีกรด 60 กรัม โดย 1 ลิตรจะประกอบด้วย:

(60 / 66, 7) x 1000=899.55

น้ำหนักโมลาร์ของกรดซัลฟิวริกเท่ากับ 98 ดังนั้นจำนวนโมลที่มีอยู่ใน 899.55 กรัมของกรัมจะเป็น:

899, 55 / 98=9, 18 โมล.

การพึ่งพาความหนาแน่นของกรดซัลฟิวริกต่อความเข้มข้นดังแสดงในรูปที่ ด้านล่าง

ใช้กรดซัลฟิวริก

ถูกนำไปใช้ในอุตสาหกรรมต่างๆ ในการผลิตเหล็กและเหล็กกล้านั้นใช้ทำความสะอาดพื้นผิวของโลหะก่อนที่จะเคลือบด้วยสารอื่นที่เกี่ยวข้องกับการสร้างสีย้อมสังเคราะห์ตลอดจนกรดชนิดอื่นๆ เช่น ไฮโดรคลอริกและไนตริก เธอยังใช้ในการผลิตยา ปุ๋ย และวัตถุระเบิด และยังเป็นสารรีเอเจนต์สำคัญในการขจัดสิ่งสกปรกออกจากน้ำมันในอุตสาหกรรมกลั่นน้ำมัน

สารเคมีชนิดนี้มีประโยชน์อย่างเหลือเชื่อในบ้าน และหาซื้อได้ง่ายในรูปของสารละลายกรดซัลฟิวริกที่ใช้ในแบตเตอรี่ตะกั่ว-กรด (เช่นที่พบในรถยนต์) โดยทั่วไปกรดดังกล่าวจะมีความเข้มข้นประมาณ 30% ถึง 35% H₂SO ₄ โดยน้ำหนัก ส่วนที่เหลือเป็นน้ำ

สำหรับการสมัครใช้งานที่บ้านจำนวนมาก 30% H₂SO₄ จะมากเกินความต้องการของคุณ อย่างไรก็ตาม อุตสาหกรรมยังต้องการความเข้มข้นของกรดซัลฟิวริกที่สูงกว่ามาก โดยปกติในระหว่างกระบวนการผลิต ขั้นแรกจะค่อนข้างเจือจางและปนเปื้อนด้วยสารอินทรีย์เจือปน กรดเข้มข้นจะได้รับในสองขั้นตอน: ขั้นแรกให้เหลือ 70% จากนั้น - ในขั้นตอนที่สอง - เพิ่มขึ้นเป็น 96-98% ซึ่งเป็นขีดจำกัดสำหรับการผลิตเชิงเศรษฐกิจ

ความหนาแน่นของกรดซัลฟิวริกและเกรด

แม้ว่ากรดกำมะถันเกือบ 99% สามารถรับได้ในเวลาสั้นๆ โดยการต้ม แต่การสูญเสีย SO₃ ที่จุดเดือดจะลดความเข้มข้นลงเหลือ 98.3% โดยทั่วไป พันธุ์ 98% จะเสถียรกว่าในการจัดเก็บ

เกรดเชิงพาณิชย์ของกรดต่างกันที่ความเข้มข้นเป็นเปอร์เซ็นต์ และสำหรับพวกเขา ค่าเหล่านั้นจะถูกเลือกที่อุณหภูมิการตกผลึกน้อยที่สุด ทำเพื่อลดการตกตะกอนของผลึกกรดซัลฟิวริกตะกอนระหว่างการขนส่งและการเก็บรักษา พันธุ์หลักคือ:

• ทาวเวอร์ (ไนตรัส) - 75%. ความหนาแน่นของกรดซัลฟิวริกของเกรดนี้คือ 1670 กก./ม.³ เรียกมันว่า. วิธีไนตรัส ซึ่งก๊าซที่ได้จากการคั่วที่ได้จากการคั่ววัตถุดิบหลักที่มีซัลเฟอร์ไดออกไซด์ SO₂ ในเสาเรียงเป็นแนว (จึงเป็นชื่อพันธุ์) บำบัดด้วยไนตรัส (นี่ ยังเป็น H₂ SO₄ แต่ด้วยไนโตรเจนออกไซด์ที่ละลายอยู่ในนั้น) ส่งผลให้กรดและไนโตรเจนออกไซด์ถูกปล่อยออกมาซึ่งไม่ได้ถูกบริโภคในกระบวนการ แต่จะกลับสู่วงจรการผลิต
• ติดต่อ - 92, 5-98, 0%. ความหนาแน่นของกรดซัลฟิวริก 98% ของเกรดนี้คือ 1836.5 กก./ม.³ นอกจากนี้ยังได้มาจากก๊าซย่างที่มี SO₂ และกระบวนการรวมถึงการเกิดออกซิเดชันของไดออกไซด์เป็นแอนไฮไดรด์ SO₃ เมื่อสัมผัส (ด้วยเหตุนี้ ตามชื่อพันธุ์) ด้วยตัวเร่งปฏิกิริยาวานาเดียมที่เป็นของแข็งหลายชั้น
• โอเลียม - 104.5%. ความหนาแน่น 1896.8 กก./ม.³ นี่คือวิธีแก้ปัญหาของ SO₃ ใน H₂SO₄ ซึ่งองค์ประกอบแรกมี 20 % และกรด - 104.5% พอดี
• โอเลี่ยมเปอร์เซ็นต์สูง - 114.6%. ความหนาแน่นคือ 2002 กก./ม.³.
• แบตเตอรี่ - 92-94%.

แบตเตอรี่รถยนต์ทำงานอย่างไร

การทำงานของอุปกรณ์ไฟฟ้าขนาดใหญ่ที่สุดชิ้นหนึ่งนี้ใช้กระบวนการไฟฟ้าเคมีที่เกิดขึ้นต่อหน้าสารละลายกรดซัลฟิวริกที่เป็นน้ำโดยสมบูรณ์

แบตเตอรี่รถยนต์มีอิเล็กโทรไลต์กรดซัลฟิวริกเจือจางและอิเล็กโทรดบวกและลบในรูปแบบของแผ่นหลายแผ่น แผ่นขั้วบวกทำจากวัสดุสีน้ำตาลแดง - ตะกั่วไดออกไซด์ (PbO₂) และแผ่นลบทำจากตะกั่ว "เป็นรูพรุน" สีเทา (Pb)

เนื่องจากอิเล็กโทรดทำมาจากตะกั่วหรือวัสดุที่มีตะกั่ว แบตเตอรี่ประเภทนี้มักถูกเรียกว่าแบตเตอรี่กรดตะกั่ว ประสิทธิภาพของมันคือ ขนาดของแรงดันไฟขาออก ถูกกำหนดโดยตรงโดยความหนาแน่นกระแสของกรดซัลฟิวริก (kg/m3 หรือ g/cm³) ที่เติมลงในแบตเตอรี่ในรูปของอิเล็กโทรไลต์

จะเกิดอะไรขึ้นกับอิเล็กโทรไลต์เมื่อแบตเตอรี่หมด

อิเล็กโทรไลต์แบตเตอรี่ตะกั่วกรดเป็นสารละลายกรดซัลฟิวริกของแบตเตอรี่ในน้ำกลั่นบริสุทธิ์ทางเคมีที่ความเข้มข้น 30% เมื่อชาร์จเต็ม กรดบริสุทธิ์มีความหนาแน่น 1.835 ก./ซม.³ อิเล็กโทรไลต์มีค่าประมาณ 1.300 ก./ซม.³ เมื่อแบตเตอรี่หมดจะเกิดปฏิกิริยาไฟฟ้าเคมีซึ่งเป็นผลมาจากการที่กรดซัลฟิวริกถูกนำออกจากอิเล็กโทรไลต์ ความหนาแน่นของความเข้มข้นของสารละลายขึ้นเกือบเป็นสัดส่วน ดังนั้นควรลดลงเนื่องจากความเข้มข้นของอิเล็กโทรไลต์ลดลง

ตราบใดที่กระแสไฟไหลผ่านแบตเตอรี่ กรดที่อยู่ใกล้อิเล็กโทรดจะถูกใช้งานอย่างแข็งขัน และอิเล็กโทรไลต์จะเจือจางมากขึ้นเรื่อยๆ การแพร่กระจายของกรดจากปริมาตรของอิเล็กโทรไลต์ทั้งหมดและไปยังเพลตอิเล็กโทรดจะรักษาความเข้มข้นของปฏิกิริยาเคมีที่คงที่โดยประมาณและเป็นผลให้เอาต์พุตแรงดันไฟ

ในช่วงเริ่มต้นของกระบวนการคายประจุ การแพร่กระจายของกรดจากอิเล็กโทรไลต์ไปยังเพลตเกิดขึ้นอย่างรวดเร็วเนื่องจากซัลเฟตที่ได้นั้นยังไม่อุดตันรูพรุนในวัสดุแอกทีฟของอิเล็กโทรด เมื่อซัลเฟตเริ่มก่อตัวและเติมรูพรุนของอิเล็กโทรด การแพร่จะเกิดขึ้นช้ากว่า

ในทางทฤษฎี คุณสามารถปล่อยต่อไปได้จนกว่ากรดจะหมดและอิเล็กโทรไลต์จะเป็นน้ำบริสุทธิ์ อย่างไรก็ตาม จากประสบการณ์พบว่าการปลดปล่อยไม่ควรดำเนินต่อไปหลังจากที่ความหนาแน่นของอิเล็กโทรไลต์ลดลงเหลือ 1.150 g/cm³.

เมื่อความหนาแน่นลดลงจาก 1, 300 เป็น 1, 150 หมายความว่ามีซัลเฟตจำนวนมากเกิดขึ้นระหว่างปฏิกิริยา และมันจะเติมรูพรุนทั้งหมดในวัสดุออกฤทธิ์บนเพลต ซึ่งก็คือกรดซัลฟิวริกเกือบทั้งหมด ความหนาแน่นขึ้นอยู่กับความเข้มข้นตามสัดส่วน และในทำนองเดียวกันการชาร์จแบตเตอรี่ก็ขึ้นอยู่กับความหนาแน่นด้วย ในรูป แสดงการขึ้นอยู่กับประจุของแบตเตอรี่ต่อความหนาแน่นของอิเล็กโทรไลต์ดังแสดงด้านล่าง

การเปลี่ยนความหนาแน่นของอิเล็กโทรไลต์เป็นวิธีที่ดีที่สุดในการระบุสถานะการคายประจุของแบตเตอรี่ หากใช้อย่างถูกต้อง

ระดับการคายประจุของแบตเตอรี่รถยนต์ขึ้นอยู่กับความหนาแน่นของอิเล็กโทรไลต์

ควรวัดความหนาแน่นทุกสองสัปดาห์ และควรบันทึกการอ่านอย่างต่อเนื่องเพื่อใช้อ้างอิงในอนาคต

อิเล็กโทรไลต์ยิ่งหนาแน่น ยิ่งมีกรดมาก ยิ่งมีประจุแบตเตอรี่มากขึ้น ความหนาแน่น 1.30-1.280g/cm³แสดงว่าชาร์จเต็ม ตามกฎแล้ว ระดับการคายประจุแบตเตอรี่ต่อไปนี้จะแตกต่างกันไปตามความหนาแน่นของอิเล็กโทรไลต์:

• 1, 300-1, 280 - ชาร์จเต็มแล้ว:
• 1, 280-1, 200 - ว่างเกินครึ่ง;
• 1, 200-1, 150 - น้อยกว่าครึ่ง;
• 1, 150 - ใกล้จะว่างแล้ว

แบตเตอรี่ที่ชาร์จจนเต็มจะมีแรงดันไฟที่ 2.5 ถึง 2.7 โวลต์ต่อเซลล์ก่อนที่จะเชื่อมต่อกับไฟหลักในรถ ทันทีที่เชื่อมต่อโหลด แรงดันไฟฟ้าจะลดลงอย่างรวดเร็วเป็น 2.1 โวลต์ภายในสามหรือสี่นาที นี่เป็นเพราะการก่อตัวของชั้นบาง ๆ ของตะกั่วซัลเฟตบนพื้นผิวของแผ่นอิเล็กโทรดลบและระหว่างชั้นตะกั่วเปอร์ออกไซด์กับโลหะของเพลตบวก ค่าสุดท้ายของแรงดันไฟฟ้าของเซลล์หลังจากเชื่อมต่อกับเครือข่ายรถยนต์จะอยู่ที่ประมาณ 2.15-2.18 โวลต์

เมื่อกระแสเริ่มไหลผ่านแบตเตอรี่ในช่วงชั่วโมงแรกของการทำงาน แรงดันไฟจะลดลงเหลือ 2 V เนื่องจากความต้านทานภายในของเซลล์เพิ่มขึ้นเนื่องจากการก่อตัวของซัลเฟตมากขึ้นซึ่งเติมเข้าไป รูพรุนของเพลต และการกำจัดกรดออกจากอิเล็กโทรไลต์ ไม่นานก่อนกระแสน้ำจะเริ่ม ความหนาแน่นของอิเล็กโทรไลต์จะสูงสุดและเท่ากับ 1.300 g/cm³ ในตอนแรกการเกิดหายากเกิดขึ้นอย่างรวดเร็ว แต่จากนั้นจะมีการสร้างสถานะที่สมดุลระหว่างความหนาแน่นของกรดใกล้กับเพลตและในปริมาตรหลักของอิเล็กโทรไลต์ การกำจัดกรดโดยอิเล็กโทรดได้รับการสนับสนุนโดยการจัดหาชิ้นส่วนใหม่ของ กรดจากส่วนหลักของอิเล็กโทรไลต์ ในกรณีนี้ ความหนาแน่นเฉลี่ยของอิเล็กโทรไลต์ลดลงอย่างต่อเนื่องตามการพึ่งพาที่แสดงในรูปที่ สูงขึ้น หลังจากการดรอปครั้งแรก แรงดันไฟฟ้าจะลดลงช้ากว่า อัตราการลดลงขึ้นอยู่กับโหลดของแบตเตอรี่ กราฟเวลาของกระบวนการคายประจุจะแสดงในรูปที่ ด้านล่าง

การตรวจสอบสถานะของอิเล็กโทรไลต์ในแบตเตอรี่

ไฮโดรมิเตอร์ใช้วัดความหนาแน่น ประกอบด้วยหลอดแก้วปิดผนึกขนาดเล็กที่มีการขยายตัวที่ปลายล่างที่เต็มไปด้วยกระสุนปืนหรือปรอท และมาตราส่วนปลายด้านบน มาตราส่วนนี้มีป้ายกำกับตั้งแต่ 1.100 ถึง 1.300 โดยมีค่าต่างๆ อยู่ระหว่างนั้น ดังแสดงในรูปที่ ด้านล่าง. หากวางไฮโดรมิเตอร์นี้ไว้ในอิเล็กโทรไลต์ มันจะจมลงไปที่ระดับความลึกระดับหนึ่ง การทำเช่นนี้จะแทนที่อิเล็กโทรไลต์ในปริมาตรหนึ่ง และเมื่อถึงตำแหน่งสมดุล น้ำหนักของปริมาตรที่ถูกแทนที่ก็จะเท่ากับน้ำหนักของไฮโดรมิเตอร์ เนื่องจากความหนาแน่นของอิเล็กโทรไลต์เท่ากับอัตราส่วนของน้ำหนักต่อปริมาตร และน้ำหนักของไฮโดรมิเตอร์เป็นที่รู้จัก การจุ่มอิเล็กโทรไลต์แต่ละระดับในสารละลายจะสอดคล้องกับความหนาแน่นที่แน่นอน

ไฮโดรมิเตอร์บางตัวไม่มีมาตราส่วนที่มีค่าความหนาแน่น แต่มีเครื่องหมายว่า "ชาร์จแล้ว" "ปล่อยประจุครึ่งหนึ่ง" "ปล่อยประจุจนหมด" หรือใกล้เคียงกัน