Серная кислота температура плавления. Химические свойства серной кислоты. Получение серной кислоты

Является одним из самых известных и распространённых химических соединений. Объясняется это в первую очередь её ярко выраженными свойствами. Её формула - H2SO4. Это двухосновная кислота, обладающая высшей серы +6.

При обычных условиях серная кислота представляет собой жидкость без запаха и цвета, обладающую маслянистыми свойствами. Она получила достаточно широкое распространение в технике и различных отраслях производства.

На данный момент это вещество является одним из важнейших и наиболее распространённых продуктов химической промышленности. В природе залежи самородной серы попадаются не так часто, как правило, она встречается только в соединениях с другими веществами. Сейчас развивается добыча серы из различных соединений, в том числе из разнообразных промышленных отходов. В некоторых случаях даже газы могут быть приспособлены для получения серы и различных соединений с ней.

Свойства

Серная кислота пагубным образом влияет на любые Она забирает из них воду очень быстро, так что ткани и различные соединения начинают обугливаться. 100%-ная кислота является одной из самых сильных, при этом соединение не дымит и не разрушает

Реагирует с любыми металлами кроме свинца. В концентрированном виде начинает окислять многие элементы.

Использование серной кислоты

Главным образом серная кислота применяется в химической промышленности, где на её основе производят азотные и в том числе и суперфосфат, который на данный момент считается одним из наиболее распространённых удобрений. Ежегодно производят до нескольких миллионов тонн этого вещества.

В металлругии H2SO4 применяется для проверки качества получаемых изделий. При прокате стали могут возникать микротрещины, для того чтобы их обнаружить, деталь помещают в свинцовую ванну и травят 25%-м раствором кислоты. После этого даже мельчайшие трещины можно увидеть невооружённым взглядом.

Перед нанесением гальванопокрытий на металл необходимо его предварительно подготовить - зачистить и обезжирить. Так как серная кислота реагирует с металлами, она растворяет тончайший слой, а вместе с ним удаляются любые следы загрязнения. Кроме того, поверхность металла становится более шершавой, что лучше подходит для нанесения никелевого, хромового или медного покрытия.

Серная кислота применяется при обработке некоторых руд, также значительное её количество требуется в нефтяной промышленности, где её применяют главным образом для очистки различных продуктов. Она часто используется в химической промышленности, которая постоянно развивается. В результате обнаруживаются дополнительные возможности и способы применения. Это вещество может использоваться для производства свинцово-кислотных - различных аккумуляторов.

Получение серной кислоты

Главным сырьём для получения кислоты служат сера и различные соединения на её основе. Кроме того, как уже было сказано, сейчас развивается использование промышленных отходов для получения серы. При окислительном обжиге сульфидных руд отходящие газы содержат SO2. Его приспосабливают для получения серной кислоты. Хотя в России по-прежнему лидирующие позиции занимают производства на основе переработки серного колчедана, который сжигают в печах. При продувании воздуха через горящий колчедан образуются пары с высоким содержанием SO2. Для очистки от других примесей и опасных паров применяют электрофильтры. Сейчас в производстве активно используются разные способы получения кислоты, и многие из них связаны с переработкой отходов, хотя высока доля традиционных производств.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Безводная серная кислота представляет собой тяжелую, вязкую жидкость, которая легко смешивается с водой в любой пропорции: взаимодействие характеризуется исключительно большим экзотермическим эффектом (~880 кДж/моль при бесконечном разбавлении) и может привести к взрывному вскипанию и разбрызгиванию смеси, если воду добавлять к кислоте; поэтому так важно всегда использовать обратный порядок в приготовлении растворов и добавлять кислоту в воду, медленно и при перемешивании.

Некоторые физические свойства серной кислоты приведены в таблице.

Безводная H 2 SO 4 — замечательное соединение с необычно высокой диэлектрической проницаемостью и очень высокой электропроводностью, которая обусловлена ионной автодиссоциацией (автопротолизом) соединения, а также эстафетным механизмом проводимости с переносом протона, обеспечивающим протекание электрического тока через вязкую жидкость с большим числом водородных связей.

Таблица 1. Физические свойства серной кислоты.

Получение серной кислоты

Серная кислота — самый важный промышленный химикат и самая дешевая из производимых в большом объеме кислот влюбой стране мира.

Концентрированную серную кислоту («купоросное масло») сначала получали нагреванием «зеленого купороса» FeSO 4 ×nH 2 O и расходовали в большом количестве на получение Na 2 SO 4 и NaCl.

В современном процессе получения серной кислоты используется катализатор, состоящий из оксида ванадия(V) с добавкой сульфата калия на носителе из диоксида кремния или кизельгура. Диоксид серы SO 2 получают сжиганием чистойсеры или при обжиге сульфидной руды (прежде всего пирита или руд Си, Ni и Zn) в процессе извлечения этихметаллов.Затем SO 2 окисляют до триоксида, а потом путем растворения в воде получают серную кислоту:

S + O 2 → SO 2 (ΔH 0 — 297 кДж/моль);

SO 2 + ½ O 2 → SO 3 (ΔH 0 — 9,8 кДж/моль);

SO 3 + H 2 O → H 2 SO 4 (ΔH 0 — 130 кДж/моль).

Химические свойства серной кислоты

Серная кислота - сильная двухосновная кислота. По первой ступени в растворах невысокой концентрации она диссоциирует практически нацело:

H 2 SO 4 ↔H + + HSO 4 — .

Диссоциация по второй ступени

HSO 4 — ↔H + + SO 4 2-

протекает в меньшей степени. Константа диссоциации серной кислоты по второй ступени, выраженная через активности ионов, K 2 = 10 -2 .

Как кислота двухосновная, серная кислота образует два ряда солей: средние и кислые. Средние соли серной кислоты называются сульфатами, а кислые - гидросульфатами.

Серная кислота жадно поглощает пары воды и поэтому часто применяется для осушения газов. Способностью поглощать воду объясняется и обугливание многих органических веществ, особенно относящихся к классу углеводов (клетчатка, сахар и т.д.), при действии на них концентрированной серной кислоты. Серная кислота отнимает от углеводов водород и кислород, которые образуют воду, а углерод выделяется в виде угля.

Концентрированная серная кислота, особенно горячая, — энергичный окислитель. Она окисляет HI и HBr (но не HCl) до свободных галогенов, уголь - до CO 2 , серу - до SO 2 . Указанные реакции выражаются уравнениями:

8HI + H 2 SO 4 = 4I 2 + H 2 S + 4H 2 O;

2HBr + H 2 SO 4 = Br 2 + SO 2 + 2H 2 O;

C + 2H 2 SO 4 = CO 2 + 2SO 2 + 2H 2 O;

S + 2H 2 SO 4 = 3SO 2 + 2H 2 O.

Взаимодействие серной кислоты с металлами протекает различно в зависимости от её концентрации. Разбавленная серная кислота окисляет своим ионом водорода. Поэтому она взаимодействует только с теми металлами, которые стоят в ряду напряжений только до водорода, например:

Zn + H 2 SO 4 = ZnSO 4 + H 2 .

Однако свинец не растворяется в разбавленной кислоте, поскольку образующаяся соль PbSO 4 нерастворима.

Концентрированная серная кислота является окислителем за счет серы (VI). Она окисляет металлы, стоящие в ряду напряжений до серебра включительно. Продукты её восстановления могут быть различными в зависимости от активности металла и от условий (концентрация кислоты, температура). При взаимодействии с малоактивными металлами, например с медью, кислота восстанавливается до SO 2:

Cu + 2H 2 SO 4 = CuSO 4 + SO 2 + 2H 2 O.

При взаимодействии с более активными металлами продуктами восстановления могут быть как диоксид, так и свободная сера и сероводород. Например, при взаимодействии с цинком могут протекать реакции:

Zn + 2H 2 SO 4 = ZnSO 4 + SO 2 + 2H 2 O;

3Zn + 4H 2 SO 4 = 3ZnSO 4 + S↓ + 4H 2 O;

4Zn + 5H 2 SO 4 = 4ZnSO 4 + H 2 S + 4H 2 O.

Применение серной кислоты

Применение серной кислоты меняется от страны к стране и от десятилетия к десятилетию. Так, например в США в настоящее время главная область потребления H 2 SO 4 — производство удобрений (70%), за ним следуют химическое производство, металлургия, очистка нефти (~5% в каждой области). В Великобритании распределение потребления по отраслям иное: только 30% производимой H 2 SO 4 используется в производстве удобрений, зато 18% идет на краски, пигменты и полупродукты производства красителей, 16% на химическое производство, 12% на получение мыла и моющих средств, 10% на производство натуральных и искусственных волокон и 2,5% применяется в металлургии.

Примеры решения задач

ПРИМЕР 1

Задание	Определите массу серной кислоты, которую можно получить из одной тонны пирита, если выход оксида серы (IV) в реакции обжига составляет 90%, а оксида серы (VI) в реакции каталитического окисления серы (IV) - 95% от теоретического.
Решение	Запишем уравнение реакции обжига пирита: 4FeS 2 + 11O 2 = 2Fe 2 O 3 + 8SO 2 . Рассчитаем количество вещества пирита: n(FeS 2) = m(FeS 2) / M(FeS 2); M(FeS 2) = Ar(Fe) + 2×Ar(S) = 56 + 2×32 = 120г/моль; n(FeS 2) = 1000 кг / 120 = 8,33 кмоль. Поскольку в уравнении реакции коэффициент при диоксиде серы в два раза больше, чем коэффициент при FeS 2 , то теоретически возможное количество вещества оксида серы (IV) равно: n(SO 2) theor = 2 ×n(FeS 2) = 2 ×8,33 = 16,66 кмоль. А практически полученное количество моль оксида серы (IV) составляет: n(SO 2) pract = η × n(SO 2) theor = 0,9 × 16,66 = 15 кмоль. Запишем уравнение реакции окисления оксида серы (IV) до оксида серы (VI): 2SO 2 + O 2 = 2SO 3 . Теоретически возможное количество вещества оксида серы (VI) равно: n(SO 3) theor = n(SO 2) pract = 15 кмоль. А практически полученное количество моль оксида серы (VI) составляет: n(SO 3) pract = η × n(SO 3) theor = 0,5 × 15 = 14,25 кмоль. Запишем уравнение реакции получения серной кислоты: SO 3 + H 2 O = H 2 SO 4 . Найдем количество вещества серной кислоты: n(H 2 SO 4) = n(SO 3) pract = 14,25 кмоль. Выход реакции составляет 100%. Масса серной кислоты равна: m(H 2 SO 4) = n(H 2 SO 4) × M(H 2 SO 4); M(H 2 SO 4) = 2×Ar(H) + Ar(S) + 4×Ar(O) = 2×1 + 32 + 4×16 = 98 г/моль; m(H 2 SO 4) = 14,25 × 98 = 1397 кг.
Ответ	Масса серной кислоты равна 1397 кг

Любая кислота представляет собой сложное вещество, молекула которого содержит один или несколько атомов водорода и кислотный остаток.

Формула серной кислоты - H2SO4. Следовательно, в состав молекулы серной кислоты входят два атома водорода и кислотный остаток SO4.

Образуется серная кислота при взаимодействии оксида серы с водой

SO3+H2O -> H2SO4

Чистая 100%-я серная кислота (моногидрат) - тяжёлая жидкость, вязкая как масло, без цвета и запаха, с кислым «медным» вкусом. Уже при температуре +10 °С она застывает и превращается в кристаллическую массу.

Концентрированная серная кислота содержит приблизительно 95% H2 SO4. И застывает она при температуре ниже –20°С.

Взаимодействие с водой

Серная кислота хорошо растворяется в воде, смешиваясь с ней в любых соотношениях. При этом выделяется большое количество тепла.

Серная кислота способна поглощать пары воды из воздуха. Это её свойство используют в промышленности для осушения газов. Осушают газы, пропуская их через специальные ёмкости с серной кислотой. Конечно же, этот способ можно применять только для тех газов, которые не вступают в реакцию с ней.

Известно, что при попадании серной кислоты на многие органические вещества, особенно углеводы, эти вещества обугливаются. Дело в том, что углеводы, как и вода, содержат и водород, и кислород. Серная кислота отнимает у них эти элементы. Остаётся уголь.

В водном растворе H2SO4 индикаторы лакмус и метиловый оранжевый окрашиваются в красный цвет, что говорит о том, что этот раствор имеет кислый вкус.

Взаимодействие с металлами

Как и любая другая кислота, серная кислота способна замещать атомы водорода на атомы металла в своей молекуле. Взаимодействует она практически со всеми металлами.

В разбавленном виде серная кислота реагирует с металлами как обычная кислота. В результате реакции образуется соль с кислотным остатком SO4 и водород.

Zn + H2SO4 = ZnSO4 + H2

А концентрированная серная кислота является очень сильным окислителем. Она окисляет все металлы, независимо от их положения в ряду напряжений. И при реакции с металлами она сама восстанавливается до SO2. Водород не выделяется.

Сu + 2 H2SO4 (конц) = CuSO4 + SO2 + 2H2O

Zn + 2 H2SO4 (конц) = ZnSO4 + SO2 + 2H2O

А вот золото, железо, алюминий, металлы платиновой группы в серной кислоте не окисляются. Поэтому серную кислоту перевозят в стальных цистернах.

Сернокислые соли, которые получаются в результате таких реакций, называют сульфатами. Они не имеют цвета, легко кристаллизуются. Некоторые из них хорошо растворяются в воде. Малорастворимыми являются только CaSO4 и PbSO4 . Почти не растворяется в воде BaSO4.

Взаимодействие с основаниями

Реакция взаимодействия кислоты с основаниями называется реакцией нейтрализации. В результате реакции нейтрализации серной кислоты образуется соль, содержащая кислотный остаток SO4, и вода H2O.

Примеры реакций нейтрализации серной кислоты:

H2SO4 + 2 NaOH = Na2SO4 + 2 H2O

H2SO4 + CaOH = CaSO4 + 2 H2O

Серная кислота вступает в реакцию нейтрализации как с растворимыми, так и с нерастворимыми основаниями.

Так как в молекуле серной кислоты два атома водорода, и для её нейтрализации требуется два основания, то она относится к двухосновным кислотам.

Взаимодействие с основными оксидами

Из школьного курса химии нам известно, что оксидами называют сложные вещества, в состав которых входят два химических элемента, одним из которых является кислород в степени окисления -2 . Основными оксидами называют оксиды 1, 2 и некоторых 3 валентных металлов. Примеры основных оксидов: Li2O, Na2O, CuO, Ag2O, MgO, CaO, FeO, NiO.

С основными оксидами серная кислота вступает в реакцию нейтрализации. В результате такой реакции, как и в реакции с основаниями, образуются соль и вода. Соль содержит кислотный остаток SO4.

CuO + H2SO4 = CuSO4 + H2O

Взаимодействие с солями

Серная кислота взаимодействует с солями более слабых или летучих кислот, вытесняя из них эти кислоты. В результате такой реакции образуется соль с кислотным остатком SO4 и кислота

H2SO4+BaCl2=BaSO4+2HCl

Применение серной кислоты и её соединений

Бариева каша ВaSO4 способна задерживать рентгеновские лучи. Заполняя ею полые органы человеческого организма, рентгенологи исследуют их.

В медицине и строительстве широко применяют природный гипс CaSO4 * 2H2O, кристаллогидрат сульфата кальция. Глауберова соль Na2SO4 * 10H2O используется в медицине и ветеринарии, в химической промышленности - для производства соды и стекла. Медный купорос CuSO4 * 5H2O известен садоводам и агрономам, которые используют его для борьбы с вредителями и болезнями растений.

Серная кислота широко используется в различных отраслях промышленности: химической, металлообрабатывающей, нефтяной, текстильной, кожевенной и других.

Молекула серной кислоты имеет крестовидную форму:

Физические свойства серной кислоты:

• плотная маслянистая жидкость без цвета и запаха;
• плотность 1,83 г/см 3 ;
• температура плавления 10,3°C;
• температура кипения 296,2°C;
• очень гигроскопична, смешивается с водой в любых отношениях;
• при растворении концентрированной серной кислоты в воде происходит выделение большого кол-ва тепла (ВАЖНО ! Приливают кислоту в воду! Воду в кислоту приливать нельзя!!! )

Серная кислота бывает двух видов:

• разбавленная H 2 SO 4 (разб) - водный раствор кислоты, в котором процентное содержание H 2 SO 4 не превышает 70%;
• концентрированная H 2 SO 4 (конц) - водный раствор кислоты, в котором процентное содержание H 2 SO 4 превышает 70%;

Химические свойства H 2 SO 4

Серная кислота полностью диссоциирует в водных растворах в две ступени:

H 2 SO 4 ↔ H + +HSO 4 - HSO 4 - ↔ H + +SO 4 -

Разбавленная серная кислота проявляет все характерные свойства сильных кислот, вступая в реакции:

• с основными оксидами: MgO+H 2 SO 4 = MgSO 4 +H 2 O
• с основаниями: H 2 SO 4 +2NaOH = Na 2 SO 4 +2H 2 O
• с солями: H 2 SO 4 +BaCl 2 = BaSO 4 ↓+2HCl качественная реакция на сульфат-ион: SO 4 2- +Ba 2+ = BaSO 4 ↓

Получение и применение серной кислоты

Серную кислоту в промышленности получают двумя способами: контактным и нитрозным .

Контактный способ получения H 2 SO 4:

• На первом этапе получают сернистый газ путем обжига серного колчедана: 4FeS 2 +11O 2 = 2Fe 2 O 3 +8SO 2
• На втором этапе, сернистый газ окисляют кислородом воздуха до серного ангидрида , реакция идет в присутствии оксида ванадия, играющего роль катализатора: 2SO 2 +O 2 = 2SO 3
• На третьем, последнем этапе, получают олеум, для этого серный ангидрид растворяют в концентрированной серной кислоте: H 2 SO 4 +nSO 3 ↔ H 2 SO 4 ·nSO 3
• В дальнейшем олеум транспортируется в железных цистернах, а серная кислота получается из олеума разбавлением водой: H 2 SO 4 ·nSO 3 +H 2 O → H 2 SO 4

Нитрозный способ получения H 2 SO 4:

• На первом этапе очищенный от пыли сернистый газ обрабатывается серной кислотой, в которой растворена нитроза (оксид азота): SO 2 +H 2 O+N 2 O 3 = H 2 SO 4 +2NO
• Выделившийся оксид азота окисляется кислородом и снова поглощается серной кислотой: 2NO+O 2 = 2NO 2 NO 2 +NO = N 2 O 3

Применение серной кислоты:

• для осушки газов;
• в производстве других кислот, солей, щелочей и проч.;
• для получения удобрений, красителей, моющих средств;
• в органическом синтезе;
• в производстве органических веществ.

Соли серной кислоты

Поскольку серная кислота является двухосновной кислотой, она дает два вида солей: средние соли (сульфаты) и кислые соли (гидросульфаты).

Сульфаты хорошо растворяются в воде, исключение составляют CaSO 4 , PbSO 4 , BaSO 4 - первые два плохо растворяются, а сульфат бария практически нерастворим. Сульфаты, в состав которых входит вода, называются купоросами (медный купорос - CuSO 4 ·5H 2 O).

Отличительной особенностью солей серной кислоты является их отношение к нагреванию, например, сульфаты натрия, калия, бария устойчивы к нагреванию, не разлагаясь даже при 1000°C, в то же время, сульфаты меди, алюминия, железа разлагаются даже при незначительном нагревании с образованием оксида металла и серного ангидрида: CuSO4 = CuO+SO 3 .

Горькая (MgSO 4 ·7H 2 O) и глауберова (Na 2 SO 4 ·10H 2 O) соль используются в качестве слабительного средства. Сульфат кальция (CaSO 4 ·2H 2 O) - при изготовлении гипсовых повязок.

Разбавленная и концентрированная серная кислота - это настолько важные химические продукты, что в мире их вырабатывается больше, чем любых других веществ. Экономическое богатство страны может быть оценено по объему производимой в ней серной кислоты.

Процесс диссоциации

Серная кислота находит применение в виде водных растворов различной концентрации. Она подвергается реакции диссоциации в два этапа, производя H + -ионы в растворе.

H 2 SO 4 = H + + HSO 4 - ;

HSO 4 - = H + + SO 4 -2 .

Серная кислота является сильной, и первый этап ее диссоциации происходит настолько интенсивно, что практически все исходные молекулы распадаются на H + -ионы и HSO 4 -1 -ионы (гидросульфата) в растворе. Последние частично распадаются дальше, выделяя другой H + -ион и оставляя сульфат-ион (SO 4 -2) в растворе. Однако гидросульфат, будучи слабой кислотой, все же превалирует в растворе над H + и SO 4 -2 . Полная диссоциация его происходит только, когда плотность раствора серной кислоты приближается к т. е при сильном разбавлении.

Свойства серной кислоты

Она является особенной в том смысле, что может действовать как обычная кислота или как сильный окислитель - в зависимости от ее температуры и концентрации. Холодный разбавленный раствор серной кислоты реагирует с активными металлами с получением соли (сульфата) и выделением газа водорода. Например, реакция между холодной разбавленной Н 2 SO 4 (в предположении ее полной двухэтапной диссоциации) и металлическим цинком выглядит так:

Zn + Н 2 SO 4 = ZnSO 4 + H 2 .

Горячая серная кислота концентрированная, плотность которой около 1,8 г/см 3 , может действовать в качестве окислителя, реагируя с материалами, которые обычно инертны к кислотам, такими, например, как металлическая медь. В процессе реакции медь окисляется, а масса кислоты уменьшается, образуется раствор (II) в воде и газообразная двуокись серы (SO 2) вместо водорода, чего можно было бы ожидать при взаимодействии кислоты с металлом.

Cu + 2Н 2 SO 4 = CuSO 4 + SO 2 + 2H 2 O.

Как вообще выражается концентрация растворов

Собственно, концентрация любого раствора может быть выражена различными способами, но наиболее широко используется весовая концентрация. Она показывает количество граммов в определенной массе или объеме раствора или растворителя (обычно 1000 г, 1000 см 3 , 100 см 3 и 1 дм 3). Вместо массы вещества в граммах можно брать его количество, выраженное в молях, - тогда получается молярная концентрация на 1000 г или 1 дм 3 раствора.

Если молярная концентрация определена по отношению не к количеству раствора, а только к растворителю, то она носит название моляльности раствора. Для нее характерна независимость от температуры.

Зачастую весовую концентрацию указывают в граммах на 100 г растворителя. Умножая этот показатель на 100 %, получают ее в весовых процентах (процентная концентрация). Именно этот способ является наиболее часто употребляемым в применении к растворам серной кислоты.

Каждой величине концентрации раствора, определенной при данной температуре, соответствует вполне конкретная его плотность (например, плотность раствора серной кислоты). Поэтому иногда раствор характеризуют именно ею. Например, раствор Н 2 SO 4 , характеризующийся процентной концентрацией 95,72 %, имеет плотность 1,835 г/см 3 при t = 20 °С. Как же определить концентрацию такого раствора, если дана только плотность серной кислоты? Таблица, дающая такое соответствие, является неотъемлемой принадлежностью любого учебника по общей или аналитической химии.

Пример пересчета концентрации

Попробуем перейти от одного способа выражения концентрации раствора к другому. Предположим, что мы имеем раствор Н 2 SO 4 в воде с процентной концентрацией 60 %. Сначала определим соответствующую плотность серной кислоты. Таблица, содержащая процентные концентрации (первый столбец) и соответствующие им плотности водного раствора Н 2 SO 4 (четвертый столбец), приведена ниже.

По ней определяем искомую величину, которая равна 1,4987 г/см 3 . Вычислим теперь молярность данного раствора. Для этого необходимо определить массу Н 2 SO 4 в 1 л раствора и соответствующее ей число молей кислоты.

Объем, который занимают 100 г исходного раствора:

100 / 1,4987 = 66,7 мл.

Так как в 66,7 миллилитрах 60%-ного раствора содержится 60 г кислоты, то в 1 л ее будет содержаться:

(60 / 66,7) х 1000 = 899, 55 г.

Молярный вес серной кислоты равен 98. Отсюда число молей, содержащихся в 899,55 г ее граммах, будет равно:

899,55 / 98 = 9,18 моль.

Зависимость плотности от концентрации приведена на рис. ниже.

Использование серной кислоты

Она применяется в различных отраслях промышленности. В производстве чугуна и стали она используется для очистки поверхности металла, прежде чем он покрывается другим веществом, участвует в создании синтетических красителей, а также других типов кислот, таких как соляная и азотная. Она также применяется в производстве фармпрепаратов, удобрений и взрывчатых веществ, а еще является важным реагентом при удалении примесей из нефти в нефтеперерабатывающей промышленности.

Это химическое вещество является невероятно полезным и в быту, и легко доступно как раствор серной кислоты, используемый в свинцово-кислотных аккумуляторных батареях (например, тех, что стоят в автомобилях). Такая кислота, как правило, имеет концентрацию примерно от 30% до 35% H 2 SO 4 по весу, остальное - вода.

Для многих бытовых приложений 30% Н 2 SO 4 будет более чем достаточно, чтобы удовлетворить свои потребности. Однако в промышленности требуется и значительно более высокая концентрация серной кислоты. Обычно в процессе производства она сначала получается достаточно разбавленной и загрязненной органическими включениями. Концентрированную кислоту получают в два этапа: сначала ее доводят до 70 %, а затем - на втором этапе - поднимают до 96-98 %, что является предельным показателем для экономически рентабельного производства.

Плотность серной кислоты и ее сорта

Хотя почти 99%-ную серную кислоту можно получить кратковременно при кипении, но последующая потеря SO 3 в точке кипения приводит к снижению концентрации до 98,3%. Вообще, разновидность с показателем 98% более устойчива в хранении.

Товарные сорта кислоты различаются по ее процентной концентрации, причем для них выбраны те ее значения, при которых минимальны температуры кристаллизации. Это сделано для уменьшения выпадения кристаллов серной кислоты в осадок при транспортировке и хранении. Основные сорта таковы:

• Башенная (нитрозная) - 75 %. Плотность серной кислоты этого сорта равна 1670 кг/м 3 . Получают его т.наз. нитрозным методом, при котором получаемый при обжиге первичного сырья обжиговый газ, содержащий двуокись серы SO 2 , в футерованных башнях (отсюда и название сорта) обрабатывают нитрозой (это тоже H 2 SO 4 , но с растворенными в ней оксидами азота). В результате выделяются кислота и оксиды азота, которые не расходуются в процессе, а возвращаются в производственный цикл.
• Контактная - 92,5-98,0 %. Плотность серной кислоты 98%-ной этого сорта равна 1836,5 кг/м 3 . Получают ее также из обжигового газа, содержащего SO 2 , причем процесс включает окисление двуокиси до ангидрида SO 3 при ее контакте (отсюда и название сорта) с несколькими слоями твердого ванадиевого катализатора.
• Олеум - 104,5 %. Плотность его равна 1896,8 кг/м 3 . Это раствор SO 3 в H 2 SO 4 , в котором первого компонента содержится 20 %, а кислоты - именно 104,5 %.
• Высокопроцентный олеум - 114,6 % . Его плотность - 2002 кг/м 3 .
• Аккумуляторная - 92-94 %.

Как устроен автомобильный аккумулятор

Работа этого одного из самых массовых электротехнических устройств полностью основана на электрохимических процессах, происходящих в присутствии водного раствора серной кислоты.

Автомобильный аккумулятор содержит разбавленный серно-кислотный электролит, а также положительный и отрицательный электроды в виде нескольких пластин. Положительные пластины выполнены из красновато-коричневого материала - диоксида свинца (PbO 2), а отрицательные - из сероватого «губчатого» свинца (Pb).

Поскольку электроды изготовлены из свинца или свинцовосодержащего материала, то этот тип батареи часто называют Работоспособность его, т. е. величина выходного напряжения, напрямую определяется тем, какова в данный момент времени плотность серной кислоты (кг/м3 или г/см 3), залитой в аккумулятор в качестве электролита.

Что происходит с электролитом при разряде аккумулятора

Электролит свинцово-кислотного аккумулятора представляет собой раствор аккумуляторной серной кислоты в химически чистой дистиллированной воде с процентной концентрацией по 30 % при полной зарядке. Чистая кислота имеет плотность 1,835 г/см 3 , электролит - около 1,300 г/см 3 . Когда аккумулятор разряжается, в нем происходят электрохимические реакции, в результате которых из электролита отбирается серная кислота. Плотность от концентрации раствора зависит практически пропорционально, поэтому она должна уменьшаться вследствие снижения концентрации электролита.

До тех пор, пока ток разряда протекает через аккумулятор, кислота вблизи его электродов активно используется, и электролит становится все более разбавленным. Диффузия кислоты из объема всего электролита и к электродным пластинам поддерживает примерно постоянную интенсивность химических реакций и, как следствие, выходное напряжение.

В начале процесса разряда диффузия кислоты из электролита в пластины происходит быстро потому, что образующийся при этом сульфат еще не забил поры в активном материале электродов. Когда сульфат начинает формироваться и заполнять поры электродов, диффузия происходит более медленно.

Теоретически можно продолжить разряд до тех пор, пока все кислота не будет использована, и электролит будет состоять из чистой воды. Однако опыт показывает, что разряды не должны продолжаться после того, как плотность электролита упала до 1,150 г/см 3 .

Когда плотность падает от 1,300 до 1,150, это означает, что столько сульфата было сформировано в процессе реакций, и он заполняет все поры в активных материалах на пластинах, т. е. из раствора уже отобрана почти вся серная кислота. Плотность от концентрации зависит пропорционально, и точно так же от плотности зависит заряд аккумулятора. На рис. ниже показана зависимость заряда аккумулятора от плотности электролита.

Изменение плотности электролита является лучшим средством определения состояния разряда аккумулятора, при условии, что он используется надлежащим образом.

Степени разряда автомобильного аккумулятора в зависимости от плотности электролита

Плотность его должна измеряться каждые две недели и постоянно должна вестись запись показаний для использования в будущем.

Чем плотнее электролит, тем больше кислоты он содержит, и тем более заряжен аккумулятор. Плотность в 1,300-1,280 г/см 3 указывает на полный заряд. Как правило, различаются следующие степени разряда аккумулятора в зависимости от плотности электролита:

• 1,300-1,280 - полностью заряжен:
• 1,280-1,200 - более чем наполовину разряжен;
• 1,200-1,150 - заряжен менее чем наполовину;
• 1,150 - практически разряжен.

У полностью заряженного аккумулятора перед подключением его автомобильной сети напряжение каждой ячейки составляет от 2,5 до 2,7 В. Как только подключается нагрузка, напряжение быстро падает примерно до 2,1 В в течение трех или четырех минут. Это происходит из-за формирования тонкого слоя сульфата свинца на поверхности отрицательных электродных пластин и между слоем перекиси свинца и металлом положительных пластин. Окончательное значение напряжения ячейки после подключения к автомобильной сети составляет около 2,15-2,18 вольт.

Когда ток начинает протекать через аккумулятор в течение первого часа работы, происходит падение напряжения до 2 В, объясняемое ростом внутреннего сопротивления ячеек из-за формирования большего количества сульфата, который заполняет поры пластин, и отбора кислоты из электролита. Незадолго до начала протекания электролита максимальна и равна 1,300 г/см 3 . Поначалу его разрежение происходит быстро, но затем устанавливается сбалансированное состояние между плотностью кислоты вблизи пластин и в основном объеме электролита, отбор кислоты электродами поддерживается поступлением новых частей кислоты от основной части электролита. При этом средняя плотность электролита продолжает неуклонно уменьшаться по зависимости, показанной на рис. выше. После первоначального падения напряжение уменьшается более медленно, скорость его снижения зависит от нагрузки аккумулятора. Временной график процесса разряда показан на рис. ниже.

Контроль состояния электролита в аккумуляторе

Для определения плотности используется ареометр. Он состоит из небольшой запаянной стеклянной трубки с расширением на нижнем конце, заполненным дробью или ртутью, и градуированной шкалой на верхнем конце. Эта шкала помечена от 1,100 до 1,300 с различными промежуточными значениями, как показано на рис. ниже. Если этот ареометр помещается в электролит, то он будет опускаться до определенной глубины. При этом он будет вытеснять определенный объем электролита, и когда будет достигнуто равновесное положение, вес вытесненного объема просто будет равен весу ареометра. Поскольку плотность электролита равна отношению его веса к объему, а вес ареометра известен, то каждый уровень его погружения в раствор соответствует определенной его плотности.

Некоторые ареометры не имеют шкалы со значениями плотности, но помечены надписями: «Заряжен», «Половинный разряд», «Полный разряд» или им подобными.