Asam sulfat encer dan pekat adalah bahan kimia yang sangat penting sehingga dunia memproduksi lebih banyak daripada zat lainnya. Kekayaan ekonomi suatu negara dapat diukur dari jumlah asam sulfat yang dihasilkannya.
Proses disosiasi
Asam sulfat digunakan dalam bentuk larutan air dengan berbagai konsentrasi. Ia mengalami reaksi disosiasi dalam dua langkah, menghasilkan ion H+ dalam larutan.
H2SO4 =H+ + HSO4 -;
HSO4- =H + + SO4 -2.
Asam sulfat kuat, dan tahap pertama disosiasinya begitu kuat sehingga hampir semua molekul aslinya terurai menjadi ion H+-dan HSO 4-1 -ion (hidrosulfat) dalam larutan. Yang terakhir sebagian meluruh lebih lanjut, melepaskan ion H+-dan meninggalkan ion sulfat (SO4-2) dalam larutan. Namun, hidrogen sulfat, sebagai asam lemah, masih berlaku.dalam larutan di atas H+ dan SO4-2. Disosiasi lengkapnya hanya terjadi ketika kerapatan larutan asam sulfat mendekati kerapatan air, yaitu dengan pengenceran yang kuat.
Sifat asam sulfat
Ini istimewa karena dapat bertindak sebagai asam normal atau sebagai zat pengoksidasi kuat, tergantung pada suhu dan konsentrasinya. Sebuah larutan encer dingin asam sulfat bereaksi dengan logam aktif untuk membentuk garam (sulfat) dan melepaskan gas hidrogen. Misalnya, reaksi antara H2SO4 dingin encer (dengan asumsi disosiasi dua tahap lengkap) dan seng logam terlihat seperti ini:
Zn + H2SO4 = ZnSO4+ H2.
Asam sulfat pekat panas, dengan kerapatan sekitar 1,8 g/cm3, dapat bertindak sebagai zat pengoksidasi, bereaksi dengan bahan yang biasanya lembam terhadap asam, seperti seperti logam tembaga. Selama reaksi, tembaga dioksidasi, dan massa asam berkurang, larutan tembaga (II) sulfat dalam air dan gas sulfur dioksida (SO2) alih-alih hidrogen terbentuk, yang diharapkan ketika asam bereaksi dengan logam.
Cu + 2H2SO4 =CuSO4 + SO 2 + 2H2 O.
Bagaimana konsentrasi larutan dinyatakan secara umum
Sebenarnya, konsentrasi larutan apa pun dapat dinyatakan dalam bentuk yang berbedacara, tetapi konsentrasi berat yang paling banyak digunakan. Ini menunjukkan jumlah gram zat terlarut dalam massa atau volume tertentu dari larutan atau pelarut (biasanya 1000 g, 1000 cm3, 100 cm3 dan 1 dm 3). Alih-alih massa suatu zat dalam gram, Anda dapat mengambil jumlah yang dinyatakan dalam mol - maka Anda mendapatkan konsentrasi molar per 1000 g atau 1 dm3 larutan.
Jika konsentrasi molar didefinisikan dalam kaitannya bukan dengan jumlah larutan, tetapi hanya dengan pelarut, maka itu disebut molalitas larutan. Hal ini ditandai dengan kemandirian dari suhu.
Seringkali, konsentrasi berat dinyatakan dalam gram per 100 g pelarut. Mengalikan angka ini dengan 100%, Anda mendapatkannya dalam persen berat (konsentrasi persentase). Metode inilah yang paling sering digunakan dalam aplikasi larutan asam sulfat.
Setiap nilai konsentrasi larutan yang ditentukan pada suhu tertentu sesuai dengan kerapatan spesifiknya (misalnya, kerapatan larutan asam sulfat). Oleh karena itu, terkadang solusinya dicirikan dengan tepat olehnya. Sebagai contoh, larutan H2SO4, dicirikan oleh persentase konsentrasi 95,72%, memiliki kerapatan 1,835 g/cm 3 pada t=20 °С. Bagaimana menentukan konsentrasi larutan seperti itu, jika hanya kerapatan asam sulfat yang diberikan? Tabel yang memberikan korespondensi seperti itu merupakan bagian integral dari semua buku teks tentang kimia umum atau analitik.
Contoh konversi konsentrasi
Mari kita coba beralih dari satu cara mengekspresikan konsentrasisolusi ke yang lain. Misalkan kita memiliki larutan H2SO4 dalam air dengan konsentrasi persentase 60%. Pertama, kami menentukan kerapatan asam sulfat yang sesuai. Tabel yang berisi persentase konsentrasi (kolom pertama) dan kerapatan yang sesuai dari larutan H2SO4 (kolom keempat) dalam air ditunjukkan di bawah ini.
Dari situ kita tentukan nilai yang diinginkan, yaitu sama dengan 1, 4987 g/cm3. Sekarang mari kita hitung molaritas larutan ini. Untuk melakukan ini, perlu untuk menentukan massa H2SO4 dalam 1 liter larutan dan jumlah mol asam yang sesuai.
Volume yang ditempati oleh 100 g larutan stok:
100 / 1, 4987=66,7 ml.
Karena 66,7 mililiter larutan 60% mengandung 60 g asam, 1 liternya akan mengandung:
(60 / 66, 7) x 1000=899,55
Berat molar asam sulfat adalah 98. Jadi, jumlah mol yang terkandung dalam 899,55 g gramnya adalah:
899, 55 / 98=9, 18 mol.
Ketergantungan kerapatan asam sulfat pada konsentrasi ditunjukkan pada gambar. di bawah.
Menggunakan asam sulfat
Ini diterapkan di berbagai industri. Dalam produksi besi dan baja, digunakan untuk membersihkan permukaan logam sebelum dilapisi dengan zat lain, terlibat dalam pembuatan pewarna sintetis, serta jenis asam lainnya, seperti klorida dan nitrat. Dia jugadigunakan dalam produksi obat-obatan, pupuk dan bahan peledak, dan juga merupakan reagen penting dalam menghilangkan kotoran dari minyak di industri penyulingan minyak.
Bahan kimia ini sangat berguna di rumah, dan sudah tersedia sebagai larutan asam sulfat yang digunakan dalam baterai timbal-asam (seperti yang ditemukan di mobil). Asam seperti itu biasanya memiliki konsentrasi sekitar 30% sampai 35% H2SO 4 berat, dengan sisanya adalah air.
Untuk banyak aplikasi rumah, 30% H2SO4 akan lebih dari cukup untuk memenuhi kebutuhan Anda. Namun, industri juga membutuhkan konsentrasi asam sulfat yang jauh lebih tinggi. Biasanya, selama proses produksi, pertama kali ternyata cukup encer dan terkontaminasi dengan kotoran organik. Asam pekat diperoleh dalam dua tahap: pertama dibawa ke 70%, dan kemudian - di tahap kedua - dinaikkan menjadi 96-98%, yang merupakan batas untuk produksi yang layak secara ekonomi.
Kerapatan asam sulfat dan kadarnya
Meskipun hampir 99% asam sulfat dapat diperoleh secara singkat dengan mendidihkan, hilangnya SO3 berikutnya pada titik didih mengurangi konsentrasi menjadi 98,3%. Secara umum, varietas 98% lebih stabil dalam penyimpanan.
Tingkat asam komersial berbeda dalam konsentrasi persentasenya, dan untuk mereka nilai-nilai itu dipilih di mana suhu kristalisasi minimal. Hal ini dilakukan untuk mengurangi pengendapan kristal asam sulfat.sedimen selama transportasi dan penyimpanan. Varietas utama adalah:
- Menara (nitrat) - 75%. Massa jenis asam sulfat tingkat ini adalah 1670 kg/m3. Dapatkan apa yang disebut. metode nitro, di mana gas pemanggangan yang diperoleh selama pemanggangan bahan baku utama, yang mengandung sulfur dioksida SO2, di menara berjajar (karenanya nama varietasnya) diperlakukan dengan nitrous (ini juga H2 SO4, tetapi dengan nitrogen oksida terlarut di dalamnya). Akibatnya, asam dan nitrogen oksida dilepaskan, yang tidak dikonsumsi dalam proses, tetapi dikembalikan ke siklus produksi.
- Kontak - 92, 5-98, 0%. Massa jenis asam sulfat 98% dari kadar ini adalah 1836,5 kg/m3. Itu juga diperoleh dari memanggang gas yang mengandung SO2, dan prosesnya meliputi oksidasi dioksida menjadi anhidrida SO3 ketika bersentuhan (karenanya nama varietas) dengan beberapa lapisan katalis vanadium padat.
- Oleum - 104,5%. Kepadatannya adalah 1896,8 kg/m3. Ini adalah solusi SO3 di H2SO4, di mana komponen pertama berisi 20 %, dan asam - tepatnya 104,5%.
- Oleum persentase tinggi - 114,6%. Massa jenisnya adalah 2002 kg/m3.
- Baterai - 92-94%.
Cara kerja aki mobil
Pengoperasian salah satu perangkat listrik paling masif ini sepenuhnya didasarkan pada proses elektrokimia yang terjadi dengan adanya larutan asam sulfat.
Aki mobil mengandung elektrolit asam sulfat encer danelektroda positif dan negatif berupa beberapa pelat. Pelat positif terbuat dari bahan coklat kemerahan - timbal dioksida (PbO2), dan pelat negatif terbuat dari timbal "spons" keabu-abuan (Pb).
Karena elektroda terbuat dari timbal atau bahan yang mengandung timbal, baterai jenis ini sering disebut sebagai baterai timbal-asam. Kinerjanya, yaitu besarnya tegangan keluaran, secara langsung ditentukan oleh rapat arus asam sulfat (kg/m3 atau g/cm3) yang diisikan ke dalam baterai sebagai elektrolit.
Apa yang terjadi pada elektrolit saat baterai habis
Elektrolit baterai timbal-asam adalah larutan asam sulfat baterai dalam air suling murni kimia pada konsentrasi 30% saat terisi penuh. Asam murni memiliki massa jenis 1,835 g/cm3, elektrolit sekitar 1,300 g/cm3. Ketika baterai habis, reaksi elektrokimia terjadi di dalamnya, akibatnya asam sulfat diambil dari elektrolit. Kerapatan konsentrasi larutan tergantung hampir secara proporsional, sehingga harus menurun karena penurunan konsentrasi elektrolit.
Selama arus pelepasan mengalir melalui baterai, asam di dekat elektrodanya digunakan secara aktif, dan elektrolit menjadi semakin encer. Difusi asam dari volume seluruh elektrolit dan ke pelat elektroda mempertahankan intensitas reaksi kimia yang kira-kira konstan dan, sebagai hasilnya, outputtegangan.
Pada awal proses pelepasan, difusi asam dari elektrolit ke dalam pelat terjadi dengan cepat karena sulfat yang dihasilkan belum menyumbat pori-pori bahan aktif elektroda. Saat sulfat mulai terbentuk dan mengisi pori-pori elektroda, difusi terjadi lebih lambat.
Secara teoritis, Anda dapat melanjutkan pembuangan sampai semua asam habis dan elektrolitnya adalah air murni. Namun, pengalaman menunjukkan bahwa pelepasan tidak boleh berlanjut setelah densitas elektrolit turun menjadi 1,150 g/cm3.
Ketika densitas turun dari 1.300 menjadi 1.150, ini berarti bahwa begitu banyak sulfat terbentuk selama reaksi, dan itu mengisi semua pori-pori bahan aktif pada pelat, yaitu hampir semua asam sulfat. Kepadatan tergantung pada konsentrasi secara proporsional, dan dengan cara yang sama pengisian baterai tergantung pada kepadatan. pada gambar. Ketergantungan muatan baterai pada kerapatan elektrolit ditunjukkan di bawah ini.
Mengubah kerapatan elektrolit adalah cara terbaik untuk menentukan status pelepasan baterai, asalkan digunakan dengan benar.
Derajat pengosongan aki mobil tergantung pada kerapatan elektrolit
Kepadatannya harus diukur setiap dua minggu dan pembacaannya harus terus direkam untuk referensi di masa mendatang.
Semakin padat elektrolit, semakin banyak asam yang dikandungnya, dan semakin banyak baterai yang terisi. Kepadatan dalam 1.300-1.280g/cm3menunjukkan muatan penuh. Sebagai aturan, derajat pelepasan baterai berikut dibedakan tergantung pada kepadatan elektrolit:
- 1, 300-1, 280 - terisi penuh:
- 1, 280-1, 200 - lebih dari setengah kosong;
- 1, 200-1, 150 - kurang dari setengah penuh;
- 1, 150 - hampir kosong.
Baterai yang terisi penuh memiliki tegangan 2,5 hingga 2,7 volt per sel sebelum dihubungkan ke listrik mobil. Begitu beban tersambung, tegangan dengan cepat turun menjadi sekitar 2,1 volt dalam tiga atau empat menit. Hal ini disebabkan oleh pembentukan lapisan tipis timbal sulfat pada permukaan pelat elektroda negatif dan antara lapisan timbal peroksida dan logam pelat positif. Nilai akhir tegangan sel setelah terhubung ke jaringan mobil adalah sekitar 2,15-2,18 volt.
Ketika arus mulai mengalir melalui baterai selama jam pertama operasi, ada penurunan tegangan hingga 2 V, karena peningkatan resistansi internal sel karena pembentukan lebih banyak sulfat, yang mengisi pori-pori pelat, dan penghilangan asam dari elektrolit. Sesaat sebelum dimulainya aliran arus, kerapatan elektrolit maksimum dan sama dengan 1,300 g/cm3. Pada awalnya, penghalusannya terjadi dengan cepat, tetapi kemudian keadaan seimbang terbentuk antara kerapatan asam di dekat pelat dan dalam volume utama elektrolit, penghilangan asam oleh elektroda didukung oleh pasokan bagian baru dari elektrolit. asam dari bagian utama elektrolit. Dalam hal ini, kerapatan rata-rata elektrolitterus terus menurun sesuai dengan ketergantungan yang ditunjukkan pada Gambar. lebih tinggi. Setelah penurunan awal, tegangan menurun lebih lambat, tingkat penurunan tergantung pada beban pada baterai. Grafik waktu proses pelepasan ditunjukkan pada gambar. di bawah.
Memantau keadaan elektrolit dalam baterai
Sebuah hidrometer digunakan untuk menentukan densitas. Ini terdiri dari tabung kaca tertutup kecil dengan ekspansi di ujung bawah diisi dengan tembakan atau merkuri dan skala lulus di ujung atas. Skala ini diberi label dari 1,100 hingga 1,300 dengan berbagai nilai di antaranya, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. di bawah. Jika hidrometer ini ditempatkan dalam elektrolit, ia akan tenggelam hingga kedalaman tertentu. Dengan demikian, itu akan menggantikan volume elektrolit tertentu, dan ketika posisi kesetimbangan tercapai, berat volume yang dipindahkan hanya akan sama dengan berat hidrometer. Karena massa jenis elektrolit sama dengan rasio beratnya terhadap volume, dan berat hidrometer diketahui, setiap tingkat pencelupan dalam larutan sesuai dengan kepadatan tertentu.
Beberapa hidrometer tidak memiliki skala dengan nilai kerapatan, tetapi ditandai dengan tulisan: "Berisi", "Setengah debit", "Bebas penuh" atau serupa.
