O ácido sulfúrico diluído e concentrado são produtos químicos tão importantes que o mundo produz mais deles do que qualquer outra substância. A riqueza econômica de um país pode ser medida pela quantidade de ácido sulfúrico que produz.
Processo de dissociação
O ácido sulfúrico é utilizado na forma de soluções aquosas de várias concentrações. Ele sofre uma reação de dissociação em duas etapas, produzindo H+ íons em solução.
H2SO4 =H+ + HSO4 -;
HSO4- =H + + SO4 -2.
O ácido sulfúrico é forte, e o primeiro estágio de sua dissociação é tão intenso que quase todas as moléculas originais se decompõem em H+-íons e HSO 4-1 -íons (hidrossulfato) em solução. Este último decai parcialmente, liberando outro H+-íon e deixando um íon sulfato (SO4-2) em solução. No entanto, o sulfato de hidrogênio, sendo um ácido fraco, ainda prevalece.em solução sobre H+ e SO4-2. Sua dissociação completa ocorre somente quando a densidade da solução de ácido sulfúrico se aproxima da densidade da água, ou seja, com forte diluição.
Propriedades do ácido sulfúrico
É especial porque pode atuar como um ácido normal ou como um forte agente oxidante, dependendo de sua temperatura e concentração. Uma solução diluída fria de ácido sulfúrico reage com metais ativos para formar um sal (sulfato) e liberar gás hidrogênio. Por exemplo, a reação entre H2SO4 diluído a frio (assumindo sua dissociação completa em dois estágios) e zinco metálico se parece com isso:
Zn + H2SO4 = ZnSO4+ H2.
Ácido sulfúrico concentrado a quente, com densidade de cerca de 1,8 g/cm3, pode atuar como agente oxidante, reagindo com materiais normalmente inertes a ácidos, como como cobre metálico. Durante a reação, o cobre é oxidado e a massa do ácido diminui, formando uma solução de sulfato de cobre (II) em água e dióxido de enxofre gasoso (SO2) em vez de hidrogênio, o que seria esperado quando o ácido reage com o metal.
Cu + 2H2SO4 =CuSO4 + SO 2 + 2H2 O.
Como a concentração de soluções geralmente é expressa
Na verdade, a concentração de qualquer solução pode ser expressa em diferentesformas, mas a concentração de peso mais utilizada. Ele mostra o número de gramas de um soluto em uma determinada massa ou volume de uma solução ou solvente (geralmente 1000 g, 1000 cm3, 100 cm3 e 1 dm 3). Em vez da massa de uma substância em gramas, você pode pegar sua quantidade expressa em mols - então você obtém a concentração molar por 1000 g ou 1 dm3 solution.
Se a concentração molar é definida em relação não à quantidade da solução, mas apenas ao solvente, então ela é chamada de molalidade da solução. Caracteriza-se pela independência da temperatura.
Muitas vezes, a concentração em peso é indicada em gramas por 100 g de solvente. Multiplicando esse valor por 100%, você o obtém em porcentagem em peso (concentração percentual). É este método que é mais frequentemente usado na aplicação de soluções de ácido sulfúrico.
Cada valor da concentração de uma solução determinada a uma dada temperatura corresponde à sua densidade muito específica (por exemplo, a densidade de uma solução de ácido sulfúrico). Portanto, às vezes a solução é caracterizada precisamente por ela. Por exemplo, uma solução de H2SO4, caracterizada por uma concentração percentual de 95,72%, tem uma densidade de 1,835 g/cm 3 em t=20 °С. Como determinar a concentração de tal solução, se apenas a densidade do ácido sulfúrico for fornecida? Uma tabela com essa correspondência é parte integrante de qualquer livro de química geral ou analítica.
Exemplo de conversão de concentração
Vamos tentar passar de uma forma de expressar concentraçãosolução para outra. Suponha que tenhamos uma solução de H2SO4 em água com uma concentração percentual de 60%. Primeiro, determinamos a densidade correspondente do ácido sulfúrico. Uma tabela contendo concentrações percentuais (primeira coluna) e suas densidades correspondentes de uma solução aquosa de H2SO4 (quarta coluna) é mostrada abaixo.
A partir dele determinamos o valor desejado, que é igual a 1, 4987 g/cm3. Vamos agora calcular a molaridade desta solução. Para isso, é necessário determinar a massa de H2SO4 em 1 litro de solução e o número correspondente de mols de ácido.
Volume ocupado por 100 g de solução estoque:
100 / 1, 4987=66,7 ml.
Como 66,7 mililitros de uma solução a 60% contém 60 g de ácido, 1 litro dela conterá:
(60 / 66, 7) x 1000=899,55
O peso molar do ácido sulfúrico é 98. Portanto, o número de moles contidos em 899,55 g de seus gramas será:
899, 55/98=9, 18 mol.
A dependência da densidade do ácido sulfúrico na concentração é mostrada na fig. abaixo.
Usando ácido sulfúrico
É aplicado em várias indústrias. Na produção de ferro e aço, é usado para limpar a superfície do metal antes de ser revestido com outra substância, está envolvido na criação de corantes sintéticos, além de outros tipos de ácidos, como clorídrico e nítrico. Ela tambémutilizado na produção de produtos farmacêuticos, fertilizantes e explosivos, além de ser um importante reagente na remoção de impurezas do petróleo na indústria de refino de petróleo.
Este produto químico é incrivelmente útil em casa e está prontamente disponível como uma solução de ácido sulfúrico usada em baterias de chumbo-ácido (como as encontradas em carros). Tal ácido normalmente tem uma concentração de cerca de 30% a 35% H2SO 4 em peso, com o restante sendo água.
Para muitas aplicações domésticas, 30% H2SO4 será mais que suficiente para atender às suas necessidades. No entanto, a indústria também exige uma concentração muito maior de ácido sulfúrico. Normalmente, durante o processo de produção, ele fica bastante diluído e contaminado com impurezas orgânicas. O ácido concentrado é obtido em duas etapas: primeiro é levado a 70% e depois - na segunda etapa - é elevado a 96-98%, que é o limite para uma produção economicamente viável.
Densidade do ácido sulfúrico e seus graus
Embora quase 99% de ácido sulfúrico possa ser obtido brevemente por fervura, a perda subsequente de SO3 no ponto de ebulição reduz a concentração para 98,3%. Em geral, a variedade de 98% é mais estável no armazenamento.
Os graus comerciais de ácido diferem em sua concentração percentual e, para eles, são escolhidos os valores nos quais as temperaturas de cristalização são mínimas. Isso é feito para reduzir a precipitação de cristais de ácido sulfúrico.sedimentos durante o transporte e armazenamento. As principais variedades são:
- Torre (nitrosa) - 75%. A densidade do ácido sulfúrico deste grau é 1670 kg/m3. Obtê-lo assim chamado. método nitroso, em que o gás de torrefação obtido durante a torrefação de matérias-primas primárias, contendo dióxido de enxofre SO2, em torres revestidas (daí o nome da variedade) é tratado com nitro (este também é H2 SO4, mas com óxidos de nitrogênio dissolvidos nele). Como resultado, são liberados ácidos e óxidos de nitrogênio, que não são consumidos no processo, mas retornam ao ciclo de produção.
- Contato - 92, 5-98, 0%. A densidade do ácido sulfúrico a 98% deste grau é 1836,5 kg/m3. Também é obtido a partir de gás de torrefação contendo SO2, e o processo inclui a oxidação do dióxido a anidrido SO3 quando entra em contato (daí o nome da variedade) com várias camadas de catalisador de vanádio sólido.
- Oleum - 104,5%. Sua densidade é 1896,8 kg/m3. Esta é uma solução de SO3 em H2SO4, em que o primeiro componente contém 20 % e ácidos - exatamente 104,5%.
- Alta porcentagem de oleum - 114,6%. Sua densidade é 2002 kg/m3.
- Bateria - 92-94%.
Como funciona uma bateria de carro
O funcionamento deste um dos dispositivos elétricos mais massivos é completamente baseado em processos eletroquímicos que ocorrem na presença de uma solução aquosa de ácido sulfúrico.
A bateria do carro contém eletrólito de ácido sulfúrico diluído eeletrodos positivos e negativos na forma de várias placas. As placas positivas são feitas de um material marrom-avermelhado - dióxido de chumbo (PbO2), e as placas negativas são feitas de chumbo "esponjoso" acinzentado (Pb).
Como os eletrodos são feitos de chumbo ou de material contendo chumbo, esse tipo de bateria é frequentemente chamado de bateria de chumbo-ácido. Seu desempenho, ou seja, a magnitude da tensão de saída, é determinado diretamente pela densidade de corrente do ácido sulfúrico (kg/m3 ou g/cm3) inserido na bateria como eletrólito.
O que acontece com o eletrólito quando a bateria está descarregada
O eletrólito de bateria de chumbo-ácido é uma solução de ácido sulfúrico de bateria em água destilada quimicamente pura a uma concentração de 30% quando totalmente carregada. Um ácido puro tem uma densidade de 1,835 g/cm3, um eletrólito é cerca de 1,300 g/cm3. Quando a bateria é descarregada, ocorrem reações eletroquímicas, como resultado do qual o ácido sulfúrico é retirado do eletrólito. A densidade da concentração da solução depende quase proporcionalmente, por isso deve diminuir devido a uma diminuição na concentração do eletrólito.
Enquanto a corrente de descarga flui através da bateria, o ácido perto de seus eletrodos é usado ativamente e o eletrólito fica cada vez mais diluído. A difusão de ácido do volume de todo o eletrólito e para as placas de eletrodo mantém uma intensidade aproximadamente constante de reações químicas e, como resultado, a saídatensão.
No início do processo de descarga, a difusão do ácido do eletrólito para as placas ocorre rapidamente porque o sulfato resultante ainda não obstruiu os poros do material ativo dos eletrodos. À medida que o sulfato começa a se formar e preencher os poros dos eletrodos, a difusão ocorre mais lentamente.
Teoricamente, você pode continuar a descarga até que todo o ácido se esgote e o eletrólito seja água pura. No entanto, a experiência mostra que as descargas não devem continuar após a densidade do eletrólito cair para 1,150 g/cm3.
Quando a densidade cai de 1.300 para 1.150, isso significa que muito sulfato foi formado durante as reações e preenche todos os poros dos materiais ativos nas placas, ou seja, quase todo ácido sulfúrico. A densidade depende da concentração proporcionalmente, e da mesma forma a carga da bateria depende da densidade. Na fig. A dependência da carga da bateria na densidade do eletrólito é mostrada abaixo.
Alterar a densidade do eletrólito é o melhor meio de determinar o estado de descarga de uma bateria, desde que seja usada corretamente.
Graus de descarga de uma bateria de carro dependendo da densidade do eletrólito
Sua densidade deve ser medida a cada duas semanas e as leituras devem ser continuamente registradas para referência futura.
Quanto mais denso o eletrólito, mais ácido ele contém e mais carregada a bateria. Densidade em 1.300-1.280g/cm3indica carga completa. Como regra, os seguintes graus de descarga da bateria são distinguidos dependendo da densidade do eletrólito:
- 1, 300-1, 280 - totalmente carregada:
- 1, 280-1, 200 - mais da metade vazia;
- 1, 200-1, 150 - menos da metade;
- 1, 150 - quase vazio.
Uma bateria totalmente carregada tem uma tensão de 2,5 a 2,7 volts por célula antes de ser conectada à rede elétrica do carro. Assim que uma carga é conectada, a tensão cai rapidamente para cerca de 2,1 volts em três ou quatro minutos. Isso se deve à formação de uma fina camada de sulfato de chumbo na superfície das placas do eletrodo negativo e entre a camada de peróxido de chumbo e o metal das placas positivas. O valor final da tensão da célula após a conexão à rede do carro é de cerca de 2,15-2,18 volts.
Quando a corrente começa a fluir pela bateria durante a primeira hora de operação, ocorre uma queda de tensão para 2 V, devido ao aumento da resistência interna das células devido à formação de mais sulfato, que preenche os poros das placas e a remoção do ácido do eletrólito. Pouco antes do início do fluxo de corrente, a densidade do eletrólito é máxima e igual a 1.300 g/cm3. No início, sua rarefação ocorre rapidamente, mas depois se estabelece um estado de equilíbrio entre a densidade do ácido próximo às placas e no volume principal do eletrólito, a remoção do ácido pelos eletrodos é suportada pelo fornecimento de novas partes do eletrólito. ácido da parte principal do eletrólito. Neste caso, a densidade média do eletrólitocontinua a diminuir constantemente de acordo com a dependência mostrada na Fig. superior. Após a queda inicial, a tensão diminui mais lentamente, a taxa de diminuição depende da carga na bateria. O gráfico de tempo do processo de descarga é mostrado na fig. abaixo.
Monitoramento do estado do eletrólito na bateria
Um hidrômetro é usado para determinar a densidade. Consiste em um pequeno tubo de vidro selado com uma expansão na extremidade inferior preenchida com granalha ou mercúrio e uma escala graduada na extremidade superior. Essa escala é rotulada de 1.100 a 1.300 com vários valores intermediários, conforme mostrado na Fig. abaixo de. Se este hidrômetro for colocado em um eletrólito, ele afundará até uma certa profundidade. Ao fazer isso, ele deslocará um certo volume de eletrólito e, quando uma posição de equilíbrio for alcançada, o peso do volume deslocado será simplesmente igual ao peso do hidrômetro. Como a densidade do eletrólito é igual à razão entre seu peso e volume, e o peso do hidrômetro é conhecido, cada nível de sua imersão na solução corresponde a uma certa densidade.
Alguns hidrômetros não possuem escala com valores de densidade, mas são marcados com as inscrições: "Carregado", "Meia descarga", "Descarga total" ou similar.
