[scheikunde] Verdunnen van geconcentreerd zuur

nico1234

Hallo allen,

Ik ben bezig met het onderwerp verdunnen van geconcentreerd zwavelzuur. Nu vroeg ik me af wat de gevolgen zijn van het verdunnen van geconcentreerd zwavelzuur.

Voor het verdunnen van zwavelzuur met water komt veel warmte vrij. Nu weet ik dat eerst het water moet worden toegevoegd en daarna pas het zwavelzuur in verband met veel energie dat vrij komt en het gevaar van spatten.
Ik vroeg me af als je bijvoorbeeld 98% zwavelzuur wilt verdunnen naar 96% zwavelzuur? Uiteindelijk zal de hoeveelheid zwavelzuur in overmaat aanwezig zijn ten opzichte van het water. Gaat dit dan ook niet spatten?

Groetjes,

Benm

Het idee van het zuur aan het water toevoegen is dat het een hogere dichtheid heeft en daardoor zinkt. De warmte ontstaat bij het contactoppervlak tussen water en zuur, dus midden in het mengsel. Als je water op het zuur druppelt dan heb je de kans dat een druppel contact maakt, en het lokaal zo heet wordt dat er iets wegspat (ik heb het nooit zien gebeuren overigens).

Maar als je van 98 naar 96 procent wilt dan valt het wel mee, je reageert dan pakweg een paar druppels water met de nodige milliliters zuur. Dat zuur heeft een warmtecapaciteit en het geheel zal niet erg heet worden.

De problemen met hitte zijn het grootste als je bijv van 98% naar ca 30 - 60% wilt verdunnen. Dan heb je veel reacties in een beperkte hoeveelheid materiaal. Als je wilt verdunnen naar 1 procent oid is het weer geen probleem door de grote warmtecapaciteit van al dat water.

nico1234

Oke dus als ik het goed begrijp hangt het dus af van de dichtheid en de hoeveelheid reactant. Doordat zwavelzuur een hogere dichtheid heeft zal de reactie in het mengsel plaatsvinden. En als water zou worden toegevoegd aan zwavelzuur (lagere dichtheid) zal de reactie alleen aan het contactoppervlak plaatsvinden. Daarnaast maakt het ook uit hoeveel reactanten aanwezig zijn. Meer reactanten = meer reacties = meer energie dat er vrij komt.

Zeg ik het zo goed?

Dus als ik in een geroerde reactor bijvoorbeeld eerst 38 kg water in leg en vervolgens 900 kg zwavelzuur bij doe. (relatief weinig reacties per totaal volume)
Zal dit geen hoge temperatuurstijging opleveren? wat resulteert in dampvorming of i.d.?

Groet,

Benm

Ik dacht een beetje op laboratoriumschaal: 38 ml water gebruiken om 900 ml zuur in een (fors) bekerglas kan prima, maar hoe dat op industriele schaal gaat durf ik niet te zeggen.

Als je het in het lab doet giet je het gewoon in 1 keer over en kan de warmte ook redelijk weg, maar in zo'n reactor denk ik niet dat je die 900 kilo er in een seconde bij weet te mengen?

nico1234

Okee bedankt in ieder geval voor het antwoord!

Daarnaast zie ik op internet eigenlijk dat alleen bij de eerste reactie waar het zuur zich afsplitst warmte vrij komt?
H₂SO₄ --> H⁺ + HSO₄^- +E 71,76 (KJ/mol)

Uit mijn eigen kennis weet ik dat ook een tweede afsplits reactie nog kan voor komen namelijk:
HSO₄^- --> H⁺+ SO_4^2-

Komt bij de tweede reactie geen warmte vrij? Of kan het zo zijn dat alleen de eerste reactie gebruikt wordt, omdat een beperkt aantal watermoleculen aanwezig zijn die geprotoneerd kunnen worden door het zwavelzuur?
Zie bijlage voor het document van internet, waarin dit wordt toegepast.

Benm

Zolang de concentratie hoog is heb je alleen de eerste protonatie inderdaad. Als je verder gaat verdunnen dan krijg je ook de tweede (vanaf gelijke molverhoudingen zuur en water). Vermoeddelijk is die ook wel exotherm, maar minder problematisch gezien je al de nodige extra (thermische) massa in het systeem hebt zitten.

nico1234

Oke, want de zuurgraad is afhankelijk van de concentratie [H⁺] ionen.
Dus als de mol verhouding [H₂O] < [H₂SO₄] is dan [H⁺] = [H₂O]?

Voor de zuurgraad telt:
pH = -log [H⁺]

Klopt het dan dat een deel van H₂SO₄ niet eens reageert en geen invloed heeft op de pH (als [H₂O]< [H₂SO₄]?)

Of reageert al het H₂SO₄ondanks de concentratie water? wat zou betekenen dat bij [H₂O]<[H₂SO₄] dat [H₂SO₄] = [H⁺]
Groet

Benm

Het klopt dat een deel van het zwavelzuur niet reageert bij een kleine hoeveelheid water.

pH is hier een tamelijk theoretisch concept aan het worden, je kunt het in theorie berekenen en dan zal je ergens op -1.5 oid uitkomen.

nico1234

Het is een tijdje geleden, maar had nog een vraag:
Over hoeveel warmte er vrij komt bij het toevoegen van zuur aan water.

Stel ik voeg aan 50Liter water 1 Liter H2SO4 toe

50L water = 2775 mol water
1L H2SO4 = 18.7 mol H2SO4

[H2O] = 2775/51 = 54,4 mol/l
[H2SO4] = 18,7/51=0,367 mol/l

Klopt het dat als water in overmaat is dat dus de volgende reacties plaatsvinden?
1)H2SO4+H2O-->HSO4- + H+ +H2O
2)HSO4- +H2O --> SO42- + H+ +H2O

Evenwichtconstantes:
KA>>1
KA2=0.01

De eerste reactie zal volledig dissociëren:
Dus er ontstaat: 18,7 mol HSO4-

A) Klopt het dan voor de 2e reactie d.m.v. de KA2 en de ABC formule berekent kan worden hoeveel mol SO42- ontstaat?
En maakt het nog uit dat H2O in overmaat is?

De reactie enthalpys voor reactie:
1 =-73350 J/mol
2 = -21930 J/mol
(exotherm)
Ik snap dat voor de eerste reactie
18,7*73350 = 1371 KJ vrij komt.

Maar hoe zit dat precies bij de tweede reactie?
Klopt het dat bij A) berekende hoeveelheid mol SO42- moet vermenigvuldigen met de reactie enthalpy van 2) ?<b> </b>En maakt het uit als H2O in overmaat aanwezig is?

Groet

Benm

Even aangenomen dat die 2e dissociatie ook volledig is kun je 1 en 2 bij elkaar optellen, en dan vermenigvuldigen met 18.7 mol. Als je dat deelt door de massa van het geheel in gram (ca 52000) kun je de temperatuursverhoging uitrekenen: gezien de grote overmaat warmte kun je de soortelijke warmte van water gebruiken.

nico1234

Oke, maar het is toch juist vanwege dat evenwichtsconstante van de 2e reactie Ka=0.01 dat niet alles volledig dissocieert?
Mag je daarnaast de soortelijke warmte gebruiken van H2SO4 en water of moet je speciaal daarvoor de warmteconstanten gebruiken van alle stoffen die aanwezig zijn in het mengsel HSO4-,SO42-,H+,H2SO4,H2O ?

Pinokkio

Dissociatie is inderdaad niet volledig, maar in de orde van 10 - 20 %. Dat kun je zelf eenvoudig exact berekenen.

De soortelijke warmte van verdund zwavelzuur als functie van concentratie kun je beter googlen. In het Engels natuurlijk. Probeer het zelf eens.

Benm

Tja, het is maar hoe nauwkeurig je het wilt berekenen... bij 1 op 50 zou ik gewoon werken met het getal voor water, en die tweede dissociatie veiligheidshalve maar mee nemen.

De exacte soortelijke warmte zal zeker afhangen van de concentratie en vast ook wel ergens in een tabel oid te vinden zijn, maar als je nog zo dicht tegen 100% water aan zit dan is het meestal niets om je druk over te maken.

nico1234

Soortelijke warmte van een mengsel is toch gewoon afhankelijk van de componenten in het mengsel? waarom zijn deze dan variabel onder standaard omstandigheden? Ik heb een document gevonden:
https://nvlpubs.nist.gov/nistpubs/jres/24/jresv24n4p475_A1b.pdf

@benm
Ik wil eerst in een tank 50L water doseren en langzaam hierbij zwavelzuur aan toevoegen. Dus uiteindelijk zal het volume meer worden dan het water. Eigenlijk vroeg ik me überhaupt af of ik het ook andersom kan doen, dus water aan zwavelzuur? zoals eerder gezegd kan dit opspattingen geven. vanwege het dichtheid verschil. Echter als een mechanische roerder aan zal staan tijdens het toevoegen van water aan zwavelzuur, zal dan de warmte door het gehele mengsel worden opgenomen ipv alleen aan het oppervlak?

Benm

Helaas ben ik niet heel erg bekend met chemie op industriele schaal, dat spatten is meer een probleem op laboratoriumschaal. Als het een gesloten vat is met een roeder denk ik dat het wellicht helemaal niets uit maakt: ook al zou het spatten, dan kan het nergens heen.

Dat spatten is vooral vervelend omdat je niet weet waar het heen gaat, zelfs als je in een zuurkast werkt oid kan het alsnog wel op je mouwen terecht komen, of net ergens in je mouw schieten langs je handschoen tegen de huid van je onderarm etc. Het is niet zo dat het echt 'ontploft' of iets dergelijks, maar rondvliegende druppels chemicaliën zijn gewoon niet prettig

Wetenschapsforum

Laatste berichten

Nieuwsberichten

[scheikunde] Verdunnen van geconcentreerd zuur

Verdunnen van geconcentreerd zuur

Re: Verdunnen van geconcentreerd zuur

Re: Verdunnen van geconcentreerd zuur

Re: Verdunnen van geconcentreerd zuur

Re: Verdunnen van geconcentreerd zuur

Re: Verdunnen van geconcentreerd zuur

Re: Verdunnen van geconcentreerd zuur

Re: Verdunnen van geconcentreerd zuur

Re: Verdunnen van geconcentreerd zuur

Re: Verdunnen van geconcentreerd zuur

Re: Verdunnen van geconcentreerd zuur

Re: Verdunnen van geconcentreerd zuur

Re: Verdunnen van geconcentreerd zuur

Re: Verdunnen van geconcentreerd zuur

Re: Verdunnen van geconcentreerd zuur