L'acide sulfurique dilué et concentré sont des produits chimiques si importants que le monde en produit plus que toute autre substance. La richesse économique d'un pays peut être mesurée par la quantité d'acide sulfurique qu'il produit.
Processus de dissociation
L'acide sulfurique est utilisé sous forme de solutions aqueuses de différentes concentrations. Il subit une réaction de dissociation en deux étapes, produisant des ions H+ en solution.
H2SO4 =H+ + HSO4 -;
HSO4- =H + + SO4 -2.
L'acide sulfurique est fort et la première étape de sa dissociation est si intense que presque toutes les molécules d'origine se décomposent en ions H+ et HSO 4-1 -ions (hydrosulfate) en solution. Ce dernier se désintègre partiellement davantage, libérant un autre ion H+ et laissant un ion sulfate (SO4-2) en solution. Cependant, le sulfate d'hydrogène, étant un acide faible, prévaut toujours.en solution sur H+ et SO4-2. Sa dissociation complète ne se produit que lorsque la densité de la solution d'acide sulfurique se rapproche de la densité de l'eau, c'est-à-dire avec une forte dilution.
Propriétés de l'acide sulfurique
Il a la particularité de pouvoir agir comme un acide normal ou comme un oxydant fort, selon sa température et sa concentration. Une solution diluée froide d'acide sulfurique réagit avec les métaux actifs pour former un sel (sulfate) et libérer de l'hydrogène gazeux. Par exemple, la réaction entre H2SO4 (en supposant sa dissociation complète en deux étapes) et le zinc métallique ressemble à ceci:
Zn + H2SO4 = ZnSO4+ H2.
L'acide sulfurique concentré chaud, d'une densité d'environ 1,8 g/cm3, peut agir comme un agent oxydant, réagissant avec des matériaux qui sont normalement inertes aux acides, tels que comme le cuivre métallique. Au cours de la réaction, le cuivre est oxydé et la masse de l'acide diminue, une solution de sulfate de cuivre (II) dans de l'eau et du dioxyde de soufre gazeux (SO2) au lieu d'hydrogène se forme, ce qui serait attendu lorsque l'acide réagit avec le métal.
Cu + 2H2SO4 =CuSO4 + SO 2 + 2H2 O.
Comment la concentration des solutions est-elle généralement exprimée
En fait, la concentration de n'importe quelle solution peut être exprimée en différentsfaçons, mais la concentration pondérale la plus largement utilisée. Il montre le nombre de grammes d'un soluté dans une masse ou un volume donné d'une solution ou d'un solvant (généralement 1000 g, 1000 cm3, 100 cm3 et 1 dm 3). Au lieu de la masse d'une substance en grammes, vous pouvez prendre sa quantité exprimée en moles - vous obtenez alors la concentration molaire pour 1000 g ou 1 dm3 solution.
Si la concentration molaire est définie par rapport non pas à la quantité de solution, mais uniquement au solvant, alors on l'appelle la molalité de la solution. Il se caractérise par son indépendance vis-à-vis de la température.
Souvent, la concentration pondérale est indiquée en grammes pour 100 g de solvant. En multipliant ce chiffre par 100%, vous l'obtenez en pourcentage en poids (concentration en pourcentage). C'est cette méthode qui est le plus souvent utilisée dans l'application aux solutions d'acide sulfurique.
Chaque valeur de la concentration d'une solution déterminée à une température donnée correspond à sa densité bien spécifique (par exemple, la densité d'une solution d'acide sulfurique). Par conséquent, parfois la solution est caractérisée précisément par cela. Par exemple, une solution de H2SO4, caractérisée par une concentration en pourcentage de 95,72 %, a une densité de 1,835 g/cm 3 à t=20 °С. Comment déterminer la concentration d'une telle solution, si seule la densité de l'acide sulfurique est donnée? Un tableau donnant une telle correspondance fait partie intégrante de tout manuel de chimie générale ou analytique.
Exemple de conversion de concentration
Essayons de passer d'une façon d'exprimer la concentrationsolution à une autre. Supposons que nous ayons une solution de H2SO4 dans de l'eau avec une concentration en pourcentage de 60 %. Tout d'abord, nous déterminons la densité correspondante de l'acide sulfurique. Un tableau contenant les concentrations en pourcentage (première colonne) et leurs densités correspondantes d'une solution aqueuse de H2SO4 (quatrième colonne) est présenté ci-dessous.
De là, nous déterminons la valeur souhaitée, qui est égale à 1, 4987 g/cm3. Calculons maintenant la molarité de cette solution. Pour ce faire, il faut déterminer la masse de H2SO4 dans 1 litre de solution et le nombre correspondant de moles d'acide.
Volume occupé par 100 g de solution mère:
100 / 1, 4987=66,7 ml.
Étant donné que 66,7 millilitres d'une solution à 60 % contiennent 60 g d'acide, 1 litre contiendra:
(60 / 66, 7) x 1000=899.55
Le poids molaire de l'acide sulfurique est de 98. Ainsi, le nombre de moles contenues dans 899,55 g de ses grammes sera:
899, 55 / 98=9, 18 mol.
La dépendance de la densité de l'acide sulfurique sur la concentration est illustrée à la fig. ci-dessous.
Avec de l'acide sulfurique
Il est appliqué dans diverses industries. Dans la production de fer et d'acier, il est utilisé pour nettoyer la surface du métal avant qu'il ne soit recouvert d'une autre substance, il participe à la création de colorants synthétiques, ainsi que d'autres types d'acides, tels que le chlorhydrique et le nitrique. Elle aussiutilisé dans la production de produits pharmaceutiques, d'engrais et d'explosifs, et est également un réactif important dans l'élimination des impuretés du pétrole dans l'industrie du raffinage du pétrole.
Ce produit chimique est incroyablement utile à la maison et est facilement disponible sous forme de solution d'acide sulfurique utilisée dans les batteries au plomb (comme celles que l'on trouve dans les voitures). Un tel acide a généralement une concentration d'environ 30 % à 35 % de H2SO 4 en poids, le reste étant de l'eau.
Pour de nombreuses applications domestiques, 30 % H2SO4 seront plus que suffisants pour répondre à vos besoins. Cependant, l'industrie exige également une concentration beaucoup plus élevée d'acide sulfurique. Habituellement, au cours du processus de production, il s'avère d'abord assez dilué et contaminé par des impuretés organiques. L'acide concentré est obtenu en deux étapes: d'abord, il est porté à 70 %, puis - dans la deuxième étape - il est porté à 96-98 %, ce qui est la limite d'une production économiquement viable.
Densité de l'acide sulfurique et ses qualités
Bien que près de 99 % d'acide sulfurique puisse être obtenu brièvement par ébullition, la perte subséquente de SO3 au point d'ébullition réduit la concentration à 98,3 %. En général, la variété à 98 % est plus stable au stockage.
Les qualités commerciales d'acide diffèrent par leur concentration en pourcentage, et pour eux, ces valeurs sont choisies pour lesquelles les températures de cristallisation sont minimales. Ceci est fait pour réduire la précipitation des cristaux d'acide sulfurique.sédiments pendant le transport et le stockage. Les principales variétés sont:
- Tour (nitreux) - 75 %. La densité de l'acide sulfurique de ce grade est de 1670 kg/m3. Obtenez-le soi-disant. méthode nitreuse, dans laquelle le gaz de torréfaction obtenu lors de la torréfaction des matières premières primaires, contenant du dioxyde de soufre SO2, dans des tours doublées (d'où le nom de la variété) est traité avec de l'azote (ce est aussi H2 SO4, mais avec des oxydes d'azote dissous). En conséquence, des acides et des oxydes d'azote sont libérés, qui ne sont pas consommés dans le processus, mais sont renvoyés dans le cycle de production.
- Contact - 92, 5-98, 0%. La densité de l'acide sulfurique à 98 % de ce grade est de 1 836,5 kg/m3. Il est également obtenu à partir de gaz de torréfaction contenant du SO2, et le processus comprend l'oxydation du dioxyde en anhydride SO3 lorsqu'il entre en contact (d'où le nom de la variété) avec plusieurs couches de catalyseur au vanadium solide.
- Oléum - 104,5 %. Sa densité est de 1896,8 kg/m3. C'est une solution de SO3 dans H2SO4, dans laquelle le premier composant contient 20 %, et acides - exactement 104,5 %.
- Oléum à pourcentage élevé - 114,6 %. Sa densité est de 2002 kg/m3.
- Batterie - 92-94%.
Comment fonctionne une batterie de voiture
Le fonctionnement de cet appareil électrique parmi les plus massifs repose entièrement sur des processus électrochimiques se produisant en présence d'une solution aqueuse d'acide sulfurique.
La batterie de la voiture contient de l'électrolyte d'acide sulfurique dilué etélectrodes positives et négatives sous forme de plusieurs plaques. Les plaques positives sont faites d'un matériau brun rougeâtre - le dioxyde de plomb (PbO2), et les plaques négatives sont faites de plomb "spongieux" grisâtre (Pb).
Étant donné que les électrodes sont en plomb ou en matériau contenant du plomb, ce type de batterie est souvent appelé batterie au plomb. Ses performances, c'est-à-dire l'amplitude de la tension de sortie, sont directement déterminées par la densité de courant de l'acide sulfurique (kg/m3 ou g/cm3) introduit dans la batterie comme électrolyte.
Qu'advient-il de l'électrolyte lorsque la batterie est déchargée
L'électrolyte de batterie au plomb est une solution d'acide sulfurique de batterie dans de l'eau distillée chimiquement pure à une concentration de 30 % lorsqu'elle est complètement chargée. Un acide pur a une densité de 1,835 g/cm3, un électrolyte est d'environ 1,300 g/cm3. Lorsque la batterie est déchargée, des réactions électrochimiques s'y produisent, à la suite desquelles de l'acide sulfurique est extrait de l'électrolyte. La densité de la concentration de la solution dépend presque proportionnellement, elle devrait donc diminuer en raison d'une diminution de la concentration en électrolyte.
Tant que le courant de décharge traverse la batterie, l'acide près de ses électrodes est activement utilisé et l'électrolyte devient de plus en plus dilué. La diffusion d'acide du volume de l'électrolyte entier et vers les plaques d'électrode maintient une intensité approximativement constante des réactions chimiques et, par conséquent, la sortietension.
Au début du processus de décharge, la diffusion de l'acide de l'électrolyte dans les plaques se produit rapidement car le sulfate résultant n'a pas encore obstrué les pores du matériau actif des électrodes. Lorsque le sulfate commence à se former et à remplir les pores des électrodes, la diffusion se produit plus lentement.
Théoriquement, vous pouvez continuer la décharge jusqu'à ce que tout l'acide soit épuisé et que l'électrolyte soit de l'eau pure. Cependant, l'expérience montre que les décharges ne doivent pas continuer après que la densité de l'électrolyte a chuté à 1,150 g/cm3.
Lorsque la densité passe de 1 300 à 1 150, cela signifie que tant de sulfate s'est formé au cours des réactions, et qu'il remplit tous les pores des matières actives sur les plaques, c'est-à-dire presque tout l'acide sulfurique. La densité dépend de la concentration proportionnellement, et de la même manière la charge de la batterie dépend de la densité. Sur la fig. La dépendance de la charge de la batterie sur la densité de l'électrolyte est indiquée ci-dessous.
La modification de la densité de l'électrolyte est le meilleur moyen de déterminer l'état de décharge d'une batterie, à condition qu'elle soit utilisée correctement.
Degrés de décharge d'une batterie de voiture en fonction de la densité de l'électrolyte
Sa densité doit être mesurée toutes les deux semaines et les lectures doivent être enregistrées en continu pour référence future.
Plus l'électrolyte est dense, plus il contient d'acide et plus la batterie est chargée. Densité en 1.300-1.280g/cm3indique une charge complète. En règle générale, les degrés de décharge de batterie suivants sont distingués en fonction de la densité de l'électrolyte:
- 1, 300-1, 280 - complètement chargé:
- 1, 280-1, 200 - plus qu'à moitié vide;
- 1, 200-1, 150 - moins qu'à moitié plein;
- 1, 150 - presque vide.
Une batterie complètement chargée a une tension de 2,5 à 2,7 volts par cellule avant d'être connectée au secteur de la voiture. Dès qu'une charge est connectée, la tension chute rapidement à environ 2,1 volts en trois ou quatre minutes. Cela est dû à la formation d'une fine couche de sulfate de plomb à la surface des plaques d'électrodes négatives et entre la couche de peroxyde de plomb et le métal des plaques positives. La valeur finale de la tension de la cellule après la connexion au réseau de la voiture est d'environ 2,15-2,18 volts.
Lorsque le courant commence à traverser la batterie pendant la première heure de fonctionnement, il y a une chute de tension à 2 V, due à une augmentation de la résistance interne des cellules due à la formation de plus de sulfate, qui remplit les pores des plaques et l'élimination de l'acide de l'électrolyte. Peu avant le début du passage du courant, la densité de l'électrolyte est maximale et égale à 1.300 g/cm3. Au début, sa raréfaction se produit rapidement, mais ensuite un état d'équilibre s'établit entre la densité de l'acide à proximité des plaques et dans le volume principal de l'électrolyte, l'élimination de l'acide par les électrodes est favorisée par l'apport de nouvelles pièces du l'acide de la partie principale de l'électrolyte. Dans ce cas, la densité moyenne de l'électrolytecontinue de diminuer régulièrement selon la dépendance illustrée à la Fig. plus haut. Après la chute initiale, la tension diminue plus lentement, le taux de diminution dépendant de la charge de la batterie. Le graphique temporel du processus de décharge est illustré à la fig. ci-dessous.
Surveillance de l'état de l'électrolyte dans la batterie
Un hydromètre est utilisé pour déterminer la densité. Il se compose d'un petit tube de verre scellé avec une expansion à l'extrémité inférieure remplie de grenaille ou de mercure et une échelle graduée à l'extrémité supérieure. Cette échelle est étiquetée de 1.100 à 1.300 avec différentes valeurs intermédiaires, comme le montre la Fig. au dessous de. Si cet hydromètre est placé dans un électrolyte, il coulera à une certaine profondeur. Ce faisant, il déplacera un certain volume d'électrolyte, et lorsqu'une position d'équilibre sera atteinte, le poids du volume déplacé sera simplement égal au poids de l'hydromètre. Puisque la densité de l'électrolyte est égale au rapport de son poids au volume, et que le poids de l'hydromètre est connu, chaque niveau de son immersion dans la solution correspond à une certaine densité.
Certains aréomètres n'ont pas d'échelle avec les valeurs de densité, mais sont marqués des inscriptions: "Chargé", "Demi-décharge", "Décharge complète" ou similaire.
