El ácido sulfúrico diluido y concentrado son sustancias químicas tan importantes que el mundo produce más de ellas que de cualquier otra sustancia. La riqueza económica de un país puede medirse por la cantidad de ácido sulfúrico que produce.
Proceso de disociación
El ácido sulfúrico se utiliza en forma de soluciones acuosas de varias concentraciones. Sufre una reacción de disociación en dos pasos, produciendo iones H+ en solución.
H2SO4 =H+ + HSO4 -;
HSO4- =H + + SO4 -2.
El ácido sulfúrico es fuerte y la primera etapa de su disociación es tan intensa que casi todas las moléculas originales se descomponen en iones H+ y HSO 4-1 -iones (hidrosulfato) en solución. Este último se descompone parcialmente aún más, liberando otro ion H+ y dejando un ion sulfato (SO4-2) en solución. Sin embargo, el sulfato de hidrógeno, siendo un ácido débil, todavía prevalece.en solución sobre H+ y SO4-2. Su disociación completa ocurre solo cuando la densidad de la solución de ácido sulfúrico se acerca a la densidad del agua, es decir, con una fuerte dilución.
Propiedades del ácido sulfúrico
Es especial porque puede actuar como un ácido normal o como un oxidante fuerte, dependiendo de su temperatura y concentración. Una solución fría diluida de ácido sulfúrico reacciona con metales activos para formar una sal (sulfato) y liberar hidrógeno gaseoso. Por ejemplo, la reacción entre el diluido frío H2SO4 (asumiendo su disociación completa en dos etapas) y el zinc metálico se ve así:
Zn + H2SO4 = ZnSO4+ H2.
El ácido sulfúrico concentrado caliente, con una densidad de aproximadamente 1,8 g/cm3, puede actuar como agente oxidante, reaccionando con materiales que normalmente son inertes a los ácidos, como como el cobre metálico. Durante la reacción, el cobre se oxida y la masa del ácido disminuye, se forma una solución de sulfato de cobre (II) en agua y dióxido de azufre gaseoso (SO2) en lugar de hidrógeno, que sería de esperar cuando el ácido reacciona con el metal.
Cu + 2H2SO4 =CuSO4 + SO 2 + 2H2 O.
¿Cómo se expresa generalmente la concentración de las soluciones?
En realidad, la concentración de cualquier solución se puede expresar en diferentesformas, pero la concentración de peso más utilizada. Muestra la cantidad de gramos de un soluto en una masa o volumen dado de una solución o solvente (generalmente 1000 g, 1000 cm3, 100 cm3 y 1 dm 3). En lugar de la masa de una sustancia en gramos, puede tomar su cantidad expresada en moles; luego obtiene la concentración molar por 1000 g o 1 dm3 solución.
Si la concentración molar se define en relación no con la cantidad de la solución, sino solo con el solvente, entonces se llama la molalidad de la solución. Se caracteriza por la independencia de la temperatura.
A menudo, la concentración en peso se indica en gramos por 100 g de disolvente. Multiplicando esta cifra por 100%, obtienes el porcentaje en peso (concentración porcentual). Es este método el que se usa más a menudo en aplicaciones a soluciones de ácido sulfúrico.
Cada valor de la concentración de una solución determinado a una temperatura dada corresponde a su densidad muy específica (por ejemplo, la densidad de una solución de ácido sulfúrico). Por eso, a veces la solución se caracteriza precisamente por ello. Por ejemplo, una solución de H2SO4, caracterizada por un porcentaje de concentración del 95,72 %, tiene una densidad de 1,835 g/cm 3 en t=20 °С. ¿Cómo determinar la concentración de tal solución, si solo se da la densidad del ácido sulfúrico? Una tabla que proporcione tal correspondencia es una parte integral de cualquier libro de texto sobre química general o analítica.
Ejemplo de conversión de concentración
Intentemos pasar de una forma de expresar concentraciónsolución a otra. Supongamos que tenemos una solución de H2SO4 en agua con un porcentaje de concentración del 60%. Primero, determinamos la densidad correspondiente del ácido sulfúrico. A continuación se muestra una tabla que contiene las concentraciones porcentuales (primera columna) y sus densidades correspondientes de una solución acuosa de H2SO4 (cuarta columna).
De ahí determinamos el valor deseado, que es igual a 1, 4987 g/cm3. Calculemos ahora la molaridad de esta solución. Para hacer esto, es necesario determinar la masa de H2SO4 en 1 litro de solución y el número correspondiente de moles de ácido.
Volumen ocupado por 100 g de solución madre:
100 / 1, 4987=66,7 ml.
Dado que 66,7 mililitros de una solución al 60% contienen 60 g de ácido, 1 litro contendrá:
(60 / 66, 7) x 1000=899,55
El peso molar del ácido sulfúrico es 98. Por tanto, el número de moles contenidos en 899,55 g de sus gramos será:
899, 55 / 98=9, 18 mol.
La dependencia de la densidad del ácido sulfúrico con la concentración se muestra en la fig. abajo.
Uso de ácido sulfúrico
Se aplica en diversas industrias. En la producción de hierro y acero, se utiliza para limpiar la superficie del metal antes de recubrirlo con otra sustancia, participa en la creación de tintes sintéticos, así como otros tipos de ácidos, como el clorhídrico y el nítrico. Ella tambiénse utiliza en la producción de productos farmacéuticos, fertilizantes y explosivos, y también es un reactivo importante en la eliminación de impurezas del petróleo en la industria de refinación de petróleo.
Este químico es increíblemente útil en el hogar y está fácilmente disponible como una solución de ácido sulfúrico que se usa en las baterías de plomo-ácido (como las que se encuentran en los automóviles). Tal ácido típicamente tiene una concentración de aproximadamente 30% a 35% H2SO 4 en peso, siendo el resto agua.
Para muchas aplicaciones domésticas, el 30 % de H2SO4 será más que suficiente para satisfacer sus necesidades. Sin embargo, la industria también requiere una concentración mucho mayor de ácido sulfúrico. Por lo general, durante el proceso de producción, primero resulta bastante diluido y contaminado con impurezas orgánicas. El ácido concentrado se obtiene en dos etapas: primero se lleva al 70% y luego, en la segunda etapa, se eleva al 96-98%, que es el límite para una producción económicamente viable.
Densidad del ácido sulfúrico y sus grados
Aunque casi el 99 % de ácido sulfúrico se puede obtener brevemente por ebullición, la posterior pérdida de SO3 en el punto de ebullición reduce la concentración al 98,3 %. En general, la variedad 98% es más estable en almacenamiento.
Los grados comerciales de ácido difieren en su concentración porcentual, y para ellos se eligen aquellos valores en los que las temperaturas de cristalización son mínimas. Esto se hace para reducir la precipitación de cristales de ácido sulfúrico.sedimentos durante el transporte y almacenamiento. Las principales variedades son:
- Torre (nitroso) - 75%. La densidad del ácido sulfúrico de este grado es 1670 kg/m3. Consíguelo así llamado. método nitroso, en el que el gas de tostado obtenido durante el tostado de materias primas primarias, que contiene dióxido de azufre SO2, en torres revestidas (de ahí el nombre de la variedad) se trata con nitroso (este es también H2 SO4, pero con óxidos de nitrógeno disueltos en él). Como resultado, se liberan ácidos y óxidos de nitrógeno, que no se consumen en el proceso, pero se devuelven al ciclo productivo.
- Contacto - 92, 5-98, 0%. La densidad del ácido sulfúrico al 98% de este grado es 1836,5 kg/m3. También se obtiene del gas tostado que contiene SO2, y el proceso incluye la oxidación del dióxido a anhídrido SO3 cuando entra en contacto (por lo tanto el nombre de la variedad) con varias capas de catalizador sólido de vanadio.
- Oleum - 104,5%. Su densidad es 1896,8 kg/m3. Esta es una solución de SO3 en H2SO4, en la que el primer componente contiene 20 % y ácidos - exactamente 104,5%.
- Alto porcentaje de óleum - 114,6%. Su densidad es 2002 kg/m3.
- Batería - 92-94%.
Cómo funciona la batería de un coche
El funcionamiento de este uno de los dispositivos eléctricos más masivos se basa completamente en procesos electroquímicos que ocurren en presencia de una solución acuosa de ácido sulfúrico.
La batería del automóvil contiene electrolito de ácido sulfúrico diluido yelectrodos positivos y negativos en forma de varias placas. Las placas positivas están hechas de un material de color marrón rojizo: dióxido de plomo (PbO2), y las placas negativas están hechas de plomo grisáceo "esponjoso" (Pb).
Debido a que los electrodos están hechos de plomo o de material que contiene plomo, este tipo de batería a menudo se conoce como batería de plomo-ácido. Su rendimiento, es decir, la magnitud del voltaje de salida, está directamente determinado por la densidad de corriente del ácido sulfúrico (kg/m3 o g/cm3) que se introduce en la batería como electrolito.
Qué sucede con el electrolito cuando la batería se descarga
El electrolito de la batería de plomo-ácido es una solución de ácido sulfúrico de la batería en agua destilada químicamente pura a una concentración del 30 % cuando está completamente cargada. Un ácido puro tiene una densidad de 1,835 g/cm3, un electrolito tiene una densidad de aproximadamente 1,300 g/cm3. Cuando la batería se descarga, en ella se producen reacciones electroquímicas, como resultado de lo cual se extrae ácido sulfúrico del electrolito. La densidad de la concentración de la solución depende casi proporcionalmente, por lo que debería disminuir debido a una disminución en la concentración de electrolitos.
Mientras la corriente de descarga fluya a través de la batería, el ácido cerca de sus electrodos se usa activamente y el electrolito se diluye cada vez más. La difusión de ácido desde el volumen de todo el electrolito y hasta las placas de los electrodos mantiene una intensidad aproximadamente constante de las reacciones químicas y, como resultado, la salidavoltaje.
Al comienzo del proceso de descarga, la difusión del ácido del electrolito hacia las placas ocurre rápidamente porque el sulfato resultante aún no ha obstruido los poros en el material activo de los electrodos. A medida que el sulfato comienza a formarse y llena los poros de los electrodos, la difusión ocurre más lentamente.
Teóricamente, puede continuar la descarga hasta que se agote todo el ácido y el electrolito sea agua pura. Sin embargo, la experiencia demuestra que las descargas no deben continuar después de que la densidad del electrolito haya descendido a 1,150 g/cm3.
Cuando la densidad cae de 1, 300 a 1, 150, esto significa que se formó mucho sulfato durante las reacciones, y llena todos los poros en los materiales activos en las placas, es decir, casi todo el ácido sulfúrico. La densidad depende proporcionalmente de la concentración, y de la misma manera la carga de la batería depende de la densidad. En la fig. A continuación se muestra la dependencia de la carga de la batería con la densidad del electrolito.
Cambiar la densidad del electrolito es la mejor manera de determinar el estado de descarga de una batería, siempre que se utilice correctamente.
Grados de descarga de una batería de coche en función de la densidad del electrolito
Su densidad debe medirse cada dos semanas y las lecturas deben registrarse continuamente para referencia futura.
Cuanto más denso es el electrolito, más ácido contiene y más cargada está la batería. Densidad en 1.300-1.280g/cm3indica carga completa. Por regla general, se distinguen los siguientes grados de descarga de la batería en función de la densidad del electrolito:
- 1, 300-1, 280 - totalmente cargado:
- 1, 280-1, 200 - más de la mitad vacío;
- 1, 200-1, 150 - menos de la mitad;
- 1, 150 - casi vacío.
Una batería completamente cargada tiene un voltaje de 2,5 a 2,7 voltios por celda antes de conectarse a la red eléctrica del automóvil. Tan pronto como se conecta una carga, el voltaje cae rápidamente a aproximadamente 2,1 voltios en tres o cuatro minutos. Esto se debe a la formación de una fina capa de sulfato de plomo en la superficie de las placas de electrodos negativos y entre la capa de peróxido de plomo y el metal de las placas positivas. El valor final del voltaje de la celda después de conectarse a la red del automóvil es de aproximadamente 2,15-2,18 voltios.
Cuando comienza a circular corriente por la batería durante la primera hora de funcionamiento, se produce una caída de tensión a 2 V, debido a un aumento de la resistencia interna de las celdas debido a la formación de más sulfato, que llena los poros de las placas, y la eliminación de ácido del electrolito. Poco antes del inicio del flujo de corriente, la densidad del electrolito es máxima e igual a 1.300 g/cm3. Al principio, su rarefacción ocurre rápidamente, pero luego se establece un estado de equilibrio entre la densidad del ácido cerca de las placas y en el volumen principal del electrolito, la eliminación de ácido por los electrodos se ve respaldada por el suministro de nuevas partes del electrolito. ácido de la parte principal del electrolito. En este caso, la densidad media del electrolitocontinúa disminuyendo constantemente de acuerdo con la dependencia que se muestra en la Fig. más alto. Después de la caída inicial, el voltaje disminuye más lentamente, y la velocidad de disminución depende de la carga de la batería. El gráfico de tiempo del proceso de descarga se muestra en la fig. abajo.
Monitoreo del estado del electrolito en la batería
Se utiliza un hidrómetro para determinar la densidad. Consiste en un pequeño tubo de vidrio sellado con una expansión en el extremo inferior lleno de perdigones o mercurio y una escala graduada en el extremo superior. Esta escala está etiquetada de 1.100 a 1.300 con varios valores intermedios, como se muestra en la Fig. abajo. Si este hidrómetro se coloca en un electrolito, se hundirá hasta cierta profundidad. Al hacerlo, desplazará un cierto volumen de electrolito, y cuando se alcance una posición de equilibrio, el peso del volumen desplazado será simplemente igual al peso del hidrómetro. Dado que la densidad del electrolito es igual a la relación entre su peso y su volumen, y se conoce el peso del hidrómetro, cada nivel de su inmersión en la solución corresponde a una determinada densidad.
Algunos hidrómetros no tienen una escala con valores de densidad, pero están marcados con las inscripciones: "Cargado", "Media descarga", "Descarga completa" o similar.
