सल्फ्यूरिक एसिड की सांद्रता और घनत्व। कार बैटरी में सांद्रता पर सल्फ्यूरिक एसिड के घनत्व की निर्भरता

2024 लेखक: Angel Austin | [email protected]. अंतिम बार संशोधित: 2023-12-17 05:27

पतला और सांद्र सल्फ्यूरिक एसिड ऐसे महत्वपूर्ण रसायन हैं जिनका उत्पादन दुनिया किसी भी अन्य पदार्थ की तुलना में अधिक करती है। किसी देश की आर्थिक संपत्ति को उसके द्वारा उत्पादित सल्फ्यूरिक एसिड की मात्रा से मापा जा सकता है।

अलग करने की प्रक्रिया

सल्फ्यूरिक एसिड का उपयोग विभिन्न सांद्रता के जलीय घोल के रूप में किया जाता है। यह दो चरणों में वियोजन अभिक्रिया से गुजरता है, जिससे विलयन में H⁺ आयन बनते हैं।

एच₂एसओ₄ =एच⁺ + एचएसओ₄ ^-;

एचएसओ₄^- =एच ⁺ + तो₄ -2.

सल्फ्यूरिक एसिड मजबूत होता है, और इसके पृथक्करण का पहला चरण इतना तीव्र होता है कि लगभग सभी मूल अणु H⁺-आयनों और HSO _{में विघटित हो जाते हैं। 4}-1 ^{-आयन (हाइड्रोसल्फेट) घोल में। उत्तरार्द्ध आंशिक रूप से और क्षय हो जाता है, एक और एच}+^{-आयन जारी करता है और एक सल्फेट आयन छोड़ता है (SO}4-2) समाधान में। हालाँकि, हाइड्रोजन सल्फेट, एक कमजोर अम्ल होने के कारण, अभी भी प्रबल है।समाधान में H⁺ और SO⁴_-2 । इसका पूर्ण पृथक्करण तभी होता है जब सल्फ्यूरिक एसिड के घोल का घनत्व पानी के घनत्व के करीब पहुंच जाता है, यानी मजबूत तनुकरण के साथ।

सल्फ्यूरिक एसिड के गुण

यह इस मायने में खास है कि यह अपने तापमान और एकाग्रता के आधार पर एक सामान्य एसिड या एक मजबूत ऑक्सीकरण एजेंट के रूप में कार्य कर सकता है। सल्फ्यूरिक एसिड का एक ठंडा पतला घोल सक्रिय धातुओं के साथ प्रतिक्रिया करके एक नमक (सल्फेट) बनाता है और हाइड्रोजन गैस छोड़ता है। उदाहरण के लिए, ठंडे तनु H₂SO₄ (इसका पूर्ण दो-चरण पृथक्करण मानते हुए) और धात्विक जस्ता के बीच की प्रतिक्रिया इस तरह दिखती है:

Zn + H₂SO_{= ZnSO}4_{+ एच}2

लगभग 1.8 ग्राम/सेमी घनत्व के साथ गर्म केंद्रित सल्फ्यूरिक एसिड³, एक ऑक्सीकरण एजेंट के रूप में कार्य कर सकता है, जो सामान्य रूप से एसिड के लिए निष्क्रिय सामग्री के साथ प्रतिक्रिया करता है, जैसे कि धात्विक तांबे की तरह। प्रतिक्रिया के दौरान, तांबे का ऑक्सीकरण होता है, और एसिड का द्रव्यमान कम हो जाता है, पानी में कॉपर (II) सल्फेट का घोल और हाइड्रोजन के बजाय गैसीय सल्फर डाइऑक्साइड (SO₂) बनता है, जिसकी उम्मीद तब होगी जब अम्ल धातु के साथ अभिक्रिया करेगा।

Cu + 2H₂SO₄ =CuSO₄ + SO ₂ + 2एच₂ ओ.

समाधानों की एकाग्रता को आम तौर पर कैसे व्यक्त किया जाता है

दरअसल, किसी भी विलयन की सान्द्रता को भिन्न में व्यक्त किया जा सकता हैतरीके, लेकिन सबसे व्यापक रूप से इस्तेमाल किया वजन एकाग्रता। यह किसी दिए गए द्रव्यमान या घोल या विलायक के आयतन में विलेय के ग्राम की संख्या को दर्शाता है (आमतौर पर 1000 ग्राम, 1000 सेमी³, 100 सेमी^{3 और 1 डीएम 3})। ग्राम में किसी पदार्थ के द्रव्यमान के बजाय, आप इसकी मात्रा को मोल में व्यक्त कर सकते हैं - फिर आपको प्रति 1000 ग्राम या 1 dm³ समाधान में मोलर सांद्रता मिलती है।

यदि मोलर सांद्रण को विलयन की मात्रा के संबंध में नहीं, बल्कि केवल विलायक के संबंध में परिभाषित किया जाए, तो इसे विलयन की मोललिटी कहते हैं। यह तापमान से स्वतंत्रता की विशेषता है।

अक्सर, विलायक के प्रति 100 ग्राम ग्राम में वजन एकाग्रता का संकेत दिया जाता है। इस आंकड़े को 100% से गुणा करने पर, आप इसे वजन प्रतिशत (प्रतिशत एकाग्रता) में प्राप्त करते हैं। यह वह तरीका है जो सल्फ्यूरिक एसिड के घोल में सबसे अधिक बार प्रयोग किया जाता है।

किसी दिए गए तापमान पर निर्धारित किसी घोल की सांद्रता का प्रत्येक मान उसके बहुत विशिष्ट घनत्व (उदाहरण के लिए, सल्फ्यूरिक एसिड के घोल का घनत्व) से मेल खाता है। इसलिए, कभी-कभी समाधान को इसके द्वारा सटीक रूप से चित्रित किया जाता है। उदाहरण के लिए, H₂SO₄ का घोल, जिसकी प्रतिशत सांद्रता 95.72% है, का घनत्व 1.835 g/cm है। 3 ^{टी=20 डिग्री सेल्सियस पर। इस तरह के समाधान की एकाग्रता का निर्धारण कैसे करें, अगर केवल सल्फ्यूरिक एसिड का घनत्व दिया जाता है? इस तरह के पत्राचार देने वाली एक तालिका सामान्य या विश्लेषणात्मक रसायन विज्ञान पर किसी भी पाठ्यपुस्तक का एक अभिन्न अंग है।}

एकाग्रता रूपांतरण का उदाहरण

आइए एकाग्रता व्यक्त करने के एक तरीके से हटने की कोशिश करेंदूसरे का समाधान। मान लीजिए कि हमारे पास पानी में H₂SO₄ का घोल है, जिसमें 60% प्रतिशत सांद्रण है। सबसे पहले, हम सल्फ्यूरिक एसिड के संबंधित घनत्व को निर्धारित करते हैं। H₂SO₄ (चौथा स्तंभ) के जलीय घोल की प्रतिशत सांद्रता (प्रथम स्तंभ) और उनके संगत घनत्व वाली तालिका नीचे दिखाई गई है।

इससे हम वांछित मान निर्धारित करते हैं, जो 1 के बराबर है, 4987 g/cm³। आइए अब हम इस विलयन की मोलरता की गणना करें। ऐसा करने के लिए, 1 लीटर में H₂SO₄ का द्रव्यमान निर्धारित करना आवश्यक है विलयन और अम्ल के मोलों की संगत संख्या।

100 ग्राम स्टॉक समाधान द्वारा कब्जा कर लिया गया मात्रा:

100/1, 4987=66.7 मिली.

चूंकि 60% घोल के 66.7 मिलीलीटर में 60 ग्राम एसिड होता है, इसके 1 लीटर में होगा:

(60/66, 7) x 1000=899.55

सल्फ्यूरिक एसिड का मोलर वजन 98 है। इसलिए, इसके ग्राम के 899.55 ग्राम में निहित मोलों की संख्या होगी:

899, 55/98=9, 18 मोल।

सांद्रता पर सल्फ्यूरिक एसिड के घनत्व की निर्भरता को अंजीर में दिखाया गया है। नीचे।

सल्फ्यूरिक एसिड का प्रयोग

यह विभिन्न उद्योगों में लगाया जाता है। लोहे और स्टील के उत्पादन में, इसका उपयोग किसी अन्य पदार्थ के साथ लेपित होने से पहले धातु की सतह को साफ करने के लिए किया जाता है, यह सिंथेटिक रंगों के साथ-साथ अन्य प्रकार के एसिड जैसे हाइड्रोक्लोरिक और नाइट्रिक के निर्माण में शामिल होता है। वह भीफार्मास्यूटिकल्स, उर्वरकों और विस्फोटकों के उत्पादन में उपयोग किया जाता है, और तेल शोधन उद्योग में तेल से अशुद्धियों को हटाने में भी एक महत्वपूर्ण अभिकर्मक है।

यह रसायन घर में अविश्वसनीय रूप से उपयोगी है, और सीसा-एसिड बैटरी (जैसे कारों में पाए जाने वाले) में उपयोग किए जाने वाले सल्फ्यूरिक एसिड समाधान के रूप में आसानी से उपलब्ध है। इस तरह के एसिड में आमतौर पर वजन के हिसाब से लगभग 30% से 35% H₂SO ₄ होता है, बाकी पानी होता है।

कई घरेलू अनुप्रयोगों के लिए, 30% H₂SO₄ आपकी आवश्यकताओं को पूरा करने के लिए पर्याप्त से अधिक होगा। हालांकि, उद्योग को भी सल्फ्यूरिक एसिड की उच्च सांद्रता की आवश्यकता होती है। आमतौर पर, उत्पादन प्रक्रिया के दौरान, यह सबसे पहले कार्बनिक अशुद्धियों से काफी पतला और दूषित हो जाता है। सांद्र अम्ल दो चरणों में प्राप्त किया जाता है: पहले इसे 70% तक लाया जाता है, और फिर - दूसरे चरण में - इसे 96-98% तक बढ़ाया जाता है, जो कि आर्थिक रूप से व्यवहार्य उत्पादन की सीमा है।

सल्फ्यूरिक एसिड का घनत्व और उसके ग्रेड

यद्यपि लगभग 99% सल्फ्यूरिक एसिड को उबालकर कुछ समय के लिए प्राप्त किया जा सकता है, क्वथनांक पर SO₃ के बाद के नुकसान से सांद्रता 98.3% तक कम हो जाती है। सामान्य तौर पर, 98% किस्म भंडारण में अधिक स्थिर होती है।

एसिड के वाणिज्यिक ग्रेड इसकी प्रतिशत सांद्रता में भिन्न होते हैं, और उनके लिए उन मूल्यों को चुना जाता है जिन पर क्रिस्टलीकरण तापमान न्यूनतम होता है। यह सल्फ्यूरिक एसिड क्रिस्टल की वर्षा को कम करने के लिए किया जाता है।परिवहन और भंडारण के दौरान तलछट। मुख्य किस्में हैं:

• टॉवर (नाइट्रस) - 75%। इस ग्रेड के सल्फ्यूरिक एसिड का घनत्व 1670 किग्रा/मी³ है। तथाकथित प्राप्त करें। नाइट्रस विधि, जिसमें पंक्तिबद्ध टावरों में सल्फर डाइऑक्साइड SO₂ युक्त प्राथमिक कच्चे माल के भूनने के दौरान प्राप्त रोस्टिंग गैस (इसलिए किस्म का नाम) को नाइट्रस के साथ व्यवहार किया जाता है (यह H₂ SO₄ भी है, लेकिन इसमें नाइट्रोजन ऑक्साइड घुले हुए हैं)। नतीजतन, एसिड और नाइट्रोजन ऑक्साइड निकलते हैं, जो इस प्रक्रिया में खपत नहीं होते हैं, लेकिन उत्पादन चक्र में वापस आ जाते हैं।
• संपर्क - 92, 5-98, 0%। इस ग्रेड के 98% सल्फ्यूरिक एसिड का घनत्व 1836.5 किग्रा/एम³ है। यह SO₂ युक्त रोस्टिंग गैस से भी प्राप्त किया जाता है, और इस प्रक्रिया में संपर्क में आने पर एनहाइड्राइड SO₃ में डाइऑक्साइड का ऑक्सीकरण शामिल होता है (इसलिए किस्म का नाम) ठोस वैनेडियम उत्प्रेरक की कई परतों के साथ।
• ओलियम - 104.5%। इसका घनत्व 1896.8 किग्रा/मीटर³ है। यह SO₃ में H₂SO₄ का समाधान है, जिसमें पहले घटक में 20 शामिल हैं %, और एसिड - ठीक 104.5%।
• उच्च प्रतिशत ओलियम - 114.6%। इसका घनत्व 2002 किग्रा/मीटर³ है।
• बैटरी - 92-94%।

कार की बैटरी कैसे काम करती है

इस सबसे विशाल विद्युत उपकरणों में से एक का संचालन पूरी तरह से सल्फ्यूरिक एसिड के जलीय घोल की उपस्थिति में होने वाली विद्युत रासायनिक प्रक्रियाओं पर आधारित है।

कार की बैटरी में तनु सल्फ्यूरिक एसिड इलेक्ट्रोलाइट होता है औरकई प्लेटों के रूप में सकारात्मक और नकारात्मक इलेक्ट्रोड। धनात्मक प्लेटें लाल-भूरे रंग की सामग्री से बनी होती हैं - लेड डाइऑक्साइड (PbO₂), और ऋणात्मक प्लेटें धूसर "स्पंजी" लेड (Pb) से बनी होती हैं।

चूंकि इलेक्ट्रोड सीसा या सीसा युक्त सामग्री से बने होते हैं, इस प्रकार की बैटरी को अक्सर लेड-एसिड बैटरी कहा जाता है। इसका प्रदर्शन, यानी, आउटपुट वोल्टेज का परिमाण, इलेक्ट्रोलाइट के रूप में बैटरी में भरे सल्फ्यूरिक एसिड (किलो/एम3 या जी/सेमी³) के वर्तमान घनत्व से सीधे निर्धारित होता है।

बैटरी के डिस्चार्ज होने पर इलेक्ट्रोलाइट का क्या होता है

लीड-एसिड बैटरी इलेक्ट्रोलाइट पूरी तरह चार्ज होने पर 30% की सांद्रता पर रासायनिक रूप से शुद्ध आसुत जल में बैटरी सल्फ्यूरिक एसिड का एक समाधान है। एक शुद्ध अम्ल का घनत्व 1.835 g/cm³ होता है, एक इलेक्ट्रोलाइट लगभग 1.300 g/cm³ होता है। जब बैटरी को डिस्चार्ज किया जाता है, तो उसमें इलेक्ट्रोकेमिकल रिएक्शन होते हैं, जिसके परिणामस्वरूप इलेक्ट्रोलाइट से सल्फ्यूरिक एसिड लिया जाता है। समाधान एकाग्रता का घनत्व लगभग आनुपातिक रूप से निर्भर करता है, इसलिए इलेक्ट्रोलाइट एकाग्रता में कमी के कारण इसे कम होना चाहिए।

जब तक बैटरी से डिस्चार्ज करंट प्रवाहित होता है, तब तक उसके इलेक्ट्रोड के पास का एसिड सक्रिय रूप से उपयोग किया जाता है, और इलेक्ट्रोलाइट अधिक से अधिक पतला हो जाता है। पूरे इलेक्ट्रोलाइट की मात्रा और इलेक्ट्रोड प्लेटों तक एसिड का प्रसार रासायनिक प्रतिक्रियाओं की लगभग निरंतर तीव्रता बनाए रखता है और, परिणामस्वरूप, आउटपुटवोल्टेज।

डिस्चार्ज प्रक्रिया की शुरुआत में, इलेक्ट्रोलाइट से प्लेटों में एसिड का प्रसार जल्दी होता है क्योंकि परिणामस्वरूप सल्फेट ने अभी तक इलेक्ट्रोड की सक्रिय सामग्री में छिद्रों को बंद नहीं किया है। जैसे ही सल्फेट इलेक्ट्रोड के छिद्रों को बनाना और भरना शुरू करता है, प्रसार अधिक धीरे-धीरे होता है।

सैद्धांतिक रूप से, आप तब तक डिस्चार्ज जारी रख सकते हैं जब तक कि सारा एसिड खत्म न हो जाए और इलेक्ट्रोलाइट शुद्ध पानी न हो जाए। हालांकि, अनुभव से पता चलता है कि इलेक्ट्रोलाइट का घनत्व 1.150 g/cm³ तक गिर जाने के बाद भी डिस्चार्ज जारी नहीं रहना चाहिए।

जब घनत्व 1, 300 से 1, 150 तक गिर जाता है, तो इसका मतलब है कि प्रतिक्रियाओं के दौरान इतना सल्फेट बन गया, और यह प्लेटों पर सक्रिय सामग्री के सभी छिद्रों को भर देता है, यानी लगभग सभी सल्फ्यूरिक एसिड। घनत्व आनुपातिक रूप से एकाग्रता पर निर्भर करता है, और उसी तरह बैटरी चार्ज घनत्व पर निर्भर करता है। अंजीर पर। इलेक्ट्रोलाइट घनत्व पर बैटरी चार्ज की निर्भरता नीचे दिखाई गई है।

इलेक्ट्रोलाइट का घनत्व बदलना बैटरी के डिस्चार्ज की स्थिति का निर्धारण करने का सबसे अच्छा साधन है, बशर्ते इसका उपयोग ठीक से किया जाए।

इलेक्ट्रोलाइट के घनत्व के आधार पर कार की बैटरी के डिस्चार्ज की डिग्री

इसका घनत्व हर दो सप्ताह में मापा जाना चाहिए और भविष्य के संदर्भ के लिए रीडिंग को लगातार रिकॉर्ड किया जाना चाहिए।

इलेक्ट्रोलाइट जितना सघन होगा, उसमें उतना ही अधिक एसिड होगा, और बैटरी उतनी ही अधिक चार्ज होगी। 1.300-1.280g/सेमी में घनत्व³पूर्ण प्रभार इंगित करता है। एक नियम के रूप में, इलेक्ट्रोलाइट के घनत्व के आधार पर बैटरी डिस्चार्ज की निम्नलिखित डिग्री प्रतिष्ठित हैं:

• 1, 300-1, 280 - पूरी तरह चार्ज:
• 1, 280-1, 200 - आधे से ज्यादा खाली;
• 1, 200-1, 150 - आधे से भी कम भरा हुआ;
• 1, 150 - लगभग खाली।

एक पूरी तरह चार्ज बैटरी में कार के मेन से कनेक्ट होने से पहले प्रति सेल 2.5 से 2.7 वोल्ट का वोल्टेज होता है। लोड कनेक्ट होते ही वोल्टेज तीन या चार मिनट के भीतर तेजी से लगभग 2.1 वोल्ट तक गिर जाता है। यह नकारात्मक इलेक्ट्रोड प्लेटों की सतह पर और लीड पेरोक्साइड परत और सकारात्मक प्लेटों की धातु के बीच लेड सल्फेट की एक पतली परत के गठन के कारण है। कार नेटवर्क से जुड़ने के बाद सेल वोल्टेज का अंतिम मान लगभग 2.15-2.18 वोल्ट होता है।

जब ऑपरेशन के पहले घंटे के दौरान बैटरी के माध्यम से करंट प्रवाहित होने लगता है, तो अधिक सल्फेट बनने के कारण कोशिकाओं के आंतरिक प्रतिरोध में वृद्धि के कारण वोल्टेज 2 V तक गिर जाता है, जो भरता है प्लेटों के छिद्र, और इलेक्ट्रोलाइट से एसिड को हटाना। वर्तमान प्रवाह की शुरुआत से कुछ समय पहले, इलेक्ट्रोलाइट का घनत्व अधिकतम और 1.300 g/cm³ के बराबर होता है। सबसे पहले, इसका विरलीकरण जल्दी होता है, लेकिन फिर प्लेटों के पास एसिड के घनत्व और इलेक्ट्रोलाइट की मुख्य मात्रा के बीच एक संतुलित स्थिति स्थापित होती है, इलेक्ट्रोड द्वारा एसिड को हटाने के लिए नए भागों की आपूर्ति का समर्थन किया जाता है। इलेक्ट्रोलाइट के मुख्य भाग से एसिड। इस मामले में, इलेक्ट्रोलाइट का औसत घनत्वअंजीर में दिखाई गई निर्भरता के अनुसार लगातार घट रही है। उच्चतर। प्रारंभिक गिरावट के बाद, वोल्टेज धीरे-धीरे कम हो जाता है, बैटरी पर लोड के आधार पर घटने की दर। डिस्चार्ज प्रक्रिया का समय ग्राफ अंजीर में दिखाया गया है। नीचे।

बैटरी में इलेक्ट्रोलाइट की स्थिति की निगरानी

घनत्व ज्ञात करने के लिए हाइड्रोमीटर का प्रयोग किया जाता है। इसमें एक छोटी सीलबंद कांच की ट्यूब होती है जिसके निचले सिरे पर शॉट या पारा भरा होता है और ऊपरी सिरे पर एक स्नातक स्तर होता है। इस पैमाने को 1.100 से 1.300 के बीच में विभिन्न मूल्यों के साथ लेबल किया गया है, जैसा कि अंजीर में दिखाया गया है। नीचे। यदि इस हाइड्रोमीटर को इलेक्ट्रोलाइट में रखा जाए, तो यह एक निश्चित गहराई तक डूब जाएगा। ऐसा करने पर, यह इलेक्ट्रोलाइट की एक निश्चित मात्रा को विस्थापित कर देगा, और जब एक संतुलन स्थिति पर पहुंच जाता है, तो विस्थापित मात्रा का वजन केवल हाइड्रोमीटर के वजन के बराबर होगा। चूंकि इलेक्ट्रोलाइट का घनत्व उसके वजन और आयतन के अनुपात के बराबर होता है, और हाइड्रोमीटर का वजन ज्ञात होता है, समाधान में इसके विसर्जन का प्रत्येक स्तर एक निश्चित घनत्व से मेल खाता है।

कुछ हाइड्रोमीटर में घनत्व मान के साथ कोई पैमाना नहीं होता है, लेकिन शिलालेखों के साथ चिह्नित होते हैं: "चार्ज", "हाफ डिस्चार्ज", "फुल डिस्चार्ज" या इसी तरह।