IChO 1976 · Theory problem 7
Lead accumulator
The density of a sulphuric acid solution in a charged lead accumulator should be equal to \(\rho = 1.28\ \mathrm{g\,cm^{-3}}\) which corresponds to the solution containing 36.87 % of \(\ce{H2SO4}\) by mass. In a discharged lead accumulator it should not decrease under the value of \(\rho = 1.10\ \mathrm{g\,cm^{-3}}\) which corresponds to the 14.35 % solution of sulphuric acid.
(Faraday's constant \(F\) is equal to \(26.8\ \mathrm{Ah\,mol^{-1}}\).)
Problems:
7.1 Write the equation for a total electrochemical reaction that takes place in the lead accumulator when it is charged and discharged.
7.2 Calculate the masses of \(\ce{H2O}\) and \(\ce{H2SO4}\) being consumed or formed according to the equation in No 1.
7.3 Calculate the mass of \(\ce{H2SO4}\) that is required to be added to a led accumulator with a capacity of 120 Ah if the content of \(\ce{H2SO4}\) is to be in the range as given in the task.
7.4 Calculate the difference in volumes of the sulphuric acid solutions in a charged and a discharged lead accumulator with a capacity of 120 Ah.
Official English text of the problem.
Answers
-
7.1 Discharge: \[ \ce{Pb + PbO2 + 2H2SO4 -> 2PbSO4 + 2H2O}. \] Charging proceeds by the reverse reaction.
-
7.2 Per reaction as written, corresponding to \(53.6\ \mathrm{Ah}\), discharge consumes \(196\ \mathrm{g}\) of \(\ce{H2SO4}\) and forms \(36.0\ \mathrm{g}\) of \(\ce{H2O}\). Equivalently, these amounts are \(3.66\) and \(0.672\ \mathrm{g\,Ah^{-1}}\), respectively. For \(120\ \mathrm{Ah}\), they are \(439\ \mathrm{g}\) and \(80.6\ \mathrm{g}\). Charging reverses consumption and formation.
-
7.3 The minimum initial quantity of pure \(\ce{H2SO4}\) is \[ \boxed{m(\ce{H2SO4})=634\ \mathrm{g}}, \] contained in approximately \(1.72\ \mathrm{kg}\) of charged electrolyte.
-
7.4 \[ \boxed{V_{\mathrm{charged}}-V_{\mathrm{discharged}} =1.06\times10^2\ \mathrm{cm^3}=0.106\ \mathrm{L}}. \] The electrolyte volume decreases on discharge.
Solution
7.1
During discharge, metallic lead is oxidized from oxidation state \(0\) to \(+\mathrm{II}\), while lead in lead(IV) oxide is reduced from \(+\mathrm{IV}\) to \(+\mathrm{II}\). Lead(II) sulfate forms at both electrodes.
The discharge half-reactions are:
\[ \begin{aligned} \text{Negative electrode:}\quad& \ce{Pb(s) + SO4^{2-}(aq) -> PbSO4(s) + 2e-},\\ \text{Positive electrode:}\quad& \ce{PbO2(s) + 4H+(aq) + SO4^{2-}(aq) + 2e- -> PbSO4(s) + 2H2O(l)}. \end{aligned} \]
Adding them gives the overall discharge reaction:
\[ \boxed{\ce{Pb(s) + PbO2(s) + 2H2SO4(aq) -> 2PbSO4(s) + 2H2O(l)}}. \]
During charging, an external source drives the reverse reaction:
\[ \boxed{\ce{2PbSO4(s) + 2H2O(l) -> Pb(s) + PbO2(s) + 2H2SO4(aq)}}. \]
The molecular and ionic species used here are sulphuric acid, OS(=O)(=O)O; water, O; sulfate ion, [O-]S(=O)(=O)[O-]; and hydrogen ion, [H+]. The aqueous hydrogen ion denotes a solvated proton. Lead, lead(IV) oxide, and lead(II) sulfate are extended solid phases; molecular SMILES do not describe their crystal lattices.
7.2
Use the molar masses
\[ M(\ce{H2SO4})=98.0\ \mathrm{g\,mol^{-1}}, \qquad M(\ce{H2O})=18.0\ \mathrm{g\,mol^{-1}}. \]
For the overall reaction as written, two moles of electrons pass through the external circuit. The corresponding charge is
\[ Q_0=(2\ \mathrm{mol})(26.8\ \mathrm{Ah\,mol^{-1}}) =53.6\ \mathrm{Ah}. \]
At this reaction extent, discharge consumes
\[ m(\ce{H2SO4})=(2\ \mathrm{mol})(98.0\ \mathrm{g\,mol^{-1}}) =196\ \mathrm{g} \]
and forms
\[ m(\ce{H2O})=(2\ \mathrm{mol})(18.0\ \mathrm{g\,mol^{-1}}) =36.0\ \mathrm{g}. \]
Thus one mole of acid is consumed and one mole of water is formed per mole of electrons transferred. For a charge \(Q\),
\[ m_{\text{acid consumed}}=\frac{Q}{F}M(\ce{H2SO4}), \qquad m_{\text{water formed}}=\frac{Q}{F}M(\ce{H2O}). \]
Per ampere-hour, these amounts are
\[ \frac{98.0}{26.8}=3.66\ \mathrm{g\,Ah^{-1}}, \qquad \frac{18.0}{26.8}=0.672\ \mathrm{g\,Ah^{-1}}. \]
For the \(120\ \mathrm{Ah}\) discharge considered in the following parts,
\[ n(e^-)=\frac{120\ \mathrm{Ah}}{26.8\ \mathrm{Ah\,mol^{-1}}} =4.47761\ \mathrm{mol}. \]
Consequently,
\[ \begin{aligned} a&\equiv m_{\text{acid consumed}} =4.47761(98.0)=438.806\ \mathrm{g},\\ b&\equiv m_{\text{water formed}} =4.47761(18.0)=80.5970\ \mathrm{g}. \end{aligned} \]
Charging consumes the same mass of water and regenerates the same mass of acid.
7.3
Let \(m_c\) be the mass of electrolyte in the charged accumulator. Its initial acid mass is
\[ m_{\mathrm{acid},c}=0.3687m_c. \]
After discharge, the acid mass is \(0.3687m_c-a\). Since acid is consumed and water is formed, the total electrolyte mass becomes
\[ m_d=m_c-a+b=m_c-358.209\ \mathrm{g}. \]
The minimum initial quantity is obtained when the \(120\ \mathrm{Ah}\) discharge reaches exactly the permitted lower acid concentration:
\[ \frac{0.3687m_c-a}{m_c-a+b}=0.1435. \]
Rearranging,
\[ m_c= \frac{a-0.1435(a-b)}{0.3687-0.1435} = \frac{438.806-0.1435(358.209)}{0.2252} =1720.26\ \mathrm{g}. \]
The required initial mass of pure sulphuric acid is therefore
\[ m_{\mathrm{acid},c} =0.3687(1720.26) =634.261\ \mathrm{g}, \]
or
\[ \boxed{m_{\mathrm{acid},c}=634\ \mathrm{g}}. \]
As a check, after discharge the electrolyte contains
\[ 634.261-438.806=195.455\ \mathrm{g} \]
of acid in \(1362.05\ \mathrm{g}\) of solution, giving
\[ \frac{195.455}{1362.05}\times100\%=14.35\%. \]
7.4
Using the given densities and retaining extra digits until the final subtraction,
\[ V_c=\frac{m_c}{\rho_c} =\frac{1720.26\ \mathrm{g}}{1.28\ \mathrm{g\,cm^{-3}}} =1343.95\ \mathrm{cm^3}. \]
The discharged electrolyte mass is
\[ m_d=1720.26-438.806+80.5970 =1362.05\ \mathrm{g}, \]
so its volume is
\[ V_d=\frac{m_d}{\rho_d} =\frac{1362.05\ \mathrm{g}}{1.10\ \mathrm{g\,cm^{-3}}} =1238.23\ \mathrm{cm^3}. \]
Hence
\[ \boxed{ V_c-V_d=105.725\ \mathrm{cm^3} \approx1.06\times10^2\ \mathrm{cm^3} }. \]
The solution was checked against the official solution.
IChO 1976 · Theorieaufgabe 7
Bleiakkumulator
Die Dichte einer Schwefelsäurelösung in einem geladenen Bleiakkumulator soll \(\rho = 1.28\ \mathrm{g\,cm^{-3}}\) betragen; dies entspricht einer Lösung mit einem Massenanteil von 36.87 % \(\ce{H2SO4}\). In einem entladenen Bleiakkumulator soll sie den Wert von \(\rho = 1.10\ \mathrm{g\,cm^{-3}}\) nicht unterschreiten; dies entspricht einer 14.35%igen Schwefelsäurelösung.
(Die Faraday-Konstante \(F\) beträgt \(26.8\ \mathrm{Ah\,mol^{-1}}\).)
Aufgaben:
7.1 Geben Sie die Gleichung der elektrochemischen Gesamtreaktion an, die im Bleiakkumulator beim Laden und Entladen abläuft.
7.2 Berechnen Sie die Massen an \(\ce{H2O}\) und \(\ce{H2SO4}\), die gemäß der Gleichung in Nr. 1 verbraucht oder gebildet werden.
7.3 Berechnen Sie die Masse an \(\ce{H2SO4}\), die einem Bleiakkumulator mit einer Kapazität von 120 Ah zugegeben werden muss, damit der Gehalt an \(\ce{H2SO4}\) innerhalb des in der Aufgabe angegebenen Bereichs liegt.
7.4 Berechnen Sie die Differenz der Volumina der Schwefelsäurelösungen in einem geladenen und einem entladenen Bleiakkumulator mit einer Kapazität von 120 Ah.
Aufgabentext aus dem offiziellen englischen Text übersetzt.
Antworten
-
7.1 Entladen: \[ \ce{Pb + PbO2 + 2H2SO4 -> 2PbSO4 + 2H2O}. \] Beim Laden läuft die umgekehrte Reaktion ab.
-
7.2 Pro Reaktionsumsatz gemäß der angegebenen Gleichung, entsprechend \(53.6\ \mathrm{Ah}\), werden beim Entladen \(196\ \mathrm{g}\) \(\ce{H2SO4}\) verbraucht und \(36.0\ \mathrm{g}\) \(\ce{H2O}\) gebildet. Dies entspricht \(3.66\) bzw. \(0.672\ \mathrm{g\,Ah^{-1}}\). Für \(120\ \mathrm{Ah}\) betragen diese Massen \(439\ \mathrm{g}\) und \(80.6\ \mathrm{g}\). Beim Laden kehren sich Verbrauch und Bildung um.
-
7.3 Die erforderliche Mindestanfangsmasse an reiner \(\ce{H2SO4}\) beträgt \[ \boxed{m(\ce{H2SO4})=634\ \mathrm{g}}, \] enthalten in ungefähr \(1.72\ \mathrm{kg}\) Elektrolyt im geladenen Zustand.
-
7.4 \[ \boxed{V_{\mathrm{charged}}-V_{\mathrm{discharged}} =1.06\times10^2\ \mathrm{cm^3}=0.106\ \mathrm{L}}. \] Das Elektrolytvolumen nimmt beim Entladen ab.
Lösung
7.1
Beim Entladen wird metallisches Blei von der Oxidationsstufe \(0\) zur Oxidationsstufe \(+\mathrm{II}\) oxidiert, während Blei in Blei(IV)-oxid von \(+\mathrm{IV}\) zu \(+\mathrm{II}\) reduziert wird. An beiden Elektroden bildet sich Blei(II)-sulfat.
Die Teilreaktionen beim Entladen lauten:
\[ \begin{aligned} \text{Negative Elektrode:}\quad& \ce{Pb(s) + SO4^{2-}(aq) -> PbSO4(s) + 2e-},\\ \text{Positive Elektrode:}\quad& \ce{PbO2(s) + 4H+(aq) + SO4^{2-}(aq) + 2e- -> PbSO4(s) + 2H2O(l)}. \end{aligned} \]
Durch Addition ergibt sich die Gesamtreaktion beim Entladen:
\[ \boxed{\ce{Pb(s) + PbO2(s) + 2H2SO4(aq) -> 2PbSO4(s) + 2H2O(l)}}. \]
Beim Laden treibt eine äußere Stromquelle die umgekehrte Reaktion an:
\[ \boxed{\ce{2PbSO4(s) + 2H2O(l) -> Pb(s) + PbO2(s) + 2H2SO4(aq)}}. \]
Die hier verwendeten molekularen und ionischen Spezies sind Schwefelsäure, OS(=O)(=O)O; Wasser, O; das Sulfat-Ion, [O-]S(=O)(=O)[O-]; und das Wasserstoff-Ion, [H+]. Das Wasserstoff-Ion in wässriger Lösung bezeichnet ein solvatisiertes Proton. Blei, Blei(IV)-oxid und Blei(II)-sulfat sind ausgedehnte feste Phasen; molekulare SMILES beschreiben ihre Kristallgitter nicht.
7.2
Verwendet werden die molaren Massen
\[ M(\ce{H2SO4})=98.0\ \mathrm{g\,mol^{-1}}, \qquad M(\ce{H2O})=18.0\ \mathrm{g\,mol^{-1}}. \]
Bei der Gesamtreaktion gemäß der angegebenen Gleichung fließen zwei Mol Elektronen durch den äußeren Stromkreis. Die entsprechende Ladung beträgt
\[ Q_0=(2\ \mathrm{mol})(26.8\ \mathrm{Ah\,mol^{-1}}) =53.6\ \mathrm{Ah}. \]
Bei diesem Reaktionsumsatz werden beim Entladen
\[ m(\ce{H2SO4})=(2\ \mathrm{mol})(98.0\ \mathrm{g\,mol^{-1}}) =196\ \mathrm{g} \]
verbraucht und
\[ m(\ce{H2O})=(2\ \mathrm{mol})(18.0\ \mathrm{g\,mol^{-1}}) =36.0\ \mathrm{g} \]
gebildet.
Somit wird pro Mol übertragener Elektronen ein Mol Säure verbraucht und ein Mol Wasser gebildet. Für eine Ladung \(Q\) gilt:
\[ m_{\text{verbrauchte Säure}}=\frac{Q}{F}M(\ce{H2SO4}), \qquad m_{\text{gebildetes Wasser}}=\frac{Q}{F}M(\ce{H2O}). \]
Pro Amperestunde betragen diese Massen
\[ \frac{98.0}{26.8}=3.66\ \mathrm{g\,Ah^{-1}}, \qquad \frac{18.0}{26.8}=0.672\ \mathrm{g\,Ah^{-1}}. \]
Für die in den folgenden Teilaufgaben betrachtete Entladung um \(120\ \mathrm{Ah}\) gilt:
\[ n(e^-)=\frac{120\ \mathrm{Ah}}{26.8\ \mathrm{Ah\,mol^{-1}}} =4.47761\ \mathrm{mol}. \]
Daraus folgt:
\[ \begin{aligned} a&\equiv m_{\text{verbrauchte Säure}} =4.47761(98.0)=438.806\ \mathrm{g},\\ b&\equiv m_{\text{gebildetes Wasser}} =4.47761(18.0)=80.5970\ \mathrm{g}. \end{aligned} \]
Beim Laden wird dieselbe Masse an Wasser verbraucht und dieselbe Masse an Säure zurückgebildet.
7.3
Sei \(m_c\) die Masse des Elektrolyten im geladenen Akkumulator. Die anfängliche Säuremasse beträgt
\[ m_{\mathrm{acid},c}=0.3687m_c. \]
Nach dem Entladen beträgt die Säuremasse \(0.3687m_c-a\). Da Säure verbraucht und Wasser gebildet wird, ergibt sich für die Gesamtmasse des Elektrolyten
\[ m_d=m_c-a+b=m_c-358.209\ \mathrm{g}. \]
Die Mindestanfangsmasse ergibt sich, wenn bei der Entladung um \(120\ \mathrm{Ah}\) genau die zulässige untere Säurekonzentration erreicht wird:
\[ \frac{0.3687m_c-a}{m_c-a+b}=0.1435. \]
Durch Umstellen erhält man:
\[ m_c= \frac{a-0.1435(a-b)}{0.3687-0.1435} = \frac{438.806-0.1435(358.209)}{0.2252} =1720.26\ \mathrm{g}. \]
Die erforderliche Anfangsmasse an reiner Schwefelsäure beträgt daher
\[ m_{\mathrm{acid},c} =0.3687(1720.26) =634.261\ \mathrm{g}, \]
also
\[ \boxed{m_{\mathrm{acid},c}=634\ \mathrm{g}}. \]
Zur Kontrolle: Nach dem Entladen enthält der Elektrolyt
\[ 634.261-438.806=195.455\ \mathrm{g} \]
Säure in \(1362.05\ \mathrm{g}\) Lösung, woraus sich ergibt:
\[ \frac{195.455}{1362.05}\times100\%=14.35\%. \]
7.4
Mit den angegebenen Dichten und unter Beibehaltung zusätzlicher Stellen bis zur abschließenden Subtraktion ergibt sich:
\[ V_c=\frac{m_c}{\rho_c} =\frac{1720.26\ \mathrm{g}}{1.28\ \mathrm{g\,cm^{-3}}} =1343.95\ \mathrm{cm^3}. \]
Die Elektrolytmasse im entladenen Zustand beträgt
\[ m_d=1720.26-438.806+80.5970 =1362.05\ \mathrm{g}, \]
sodass das Volumen beträgt:
\[ V_d=\frac{m_d}{\rho_d} =\frac{1362.05\ \mathrm{g}}{1.10\ \mathrm{g\,cm^{-3}}} =1238.23\ \mathrm{cm^3}. \]
Damit folgt:
\[ \boxed{ V_c-V_d=105.725\ \mathrm{cm^3} \approx1.06\times10^2\ \mathrm{cm^3} }. \]
Die Lösung wurde mit der offiziellen Lösung abgeglichen.
IChO 1976 · Teori sorusu 7
Kurşun akümülatör
Şarjlı bir kurşun akümülatördeki sülfürik asit çözeltisinin yoğunluğu, kütlece % 36.87 \(\ce{H2SO4}\) içeren çözeltiye karşılık gelen \(\rho = 1.28\ \mathrm{g\,cm^{-3}}\) değerine eşit olmalıdır. Deşarj olmuş bir kurşun akümülatörde ise yoğunluk, % 14.35'lik sülfürik asit çözeltisine karşılık gelen \(\rho = 1.10\ \mathrm{g\,cm^{-3}}\) değerinin altına düşmemelidir.
(Faraday sabiti \(F\), \(26.8\ \mathrm{Ah\,mol^{-1}}\) değerine eşittir.)
Sorular:
7.1 Kurşun akümülatörün şarj ve deşarj olması sırasında gerçekleşen toplam elektrokimyasal tepkimenin denklemini yazınız.
7.2 1 numaralı sorudaki denkleme göre tüketilen veya oluşan \(\ce{H2O}\) ve \(\ce{H2SO4}\) kütlelerini hesaplayınız.
7.3 \(\ce{H2SO4}\) içeriğinin soruda verilen aralıkta olması için 120 Ah kapasiteli bir kurşun akümülatöre eklenmesi gereken \(\ce{H2SO4}\) kütlesini hesaplayınız.
7.4 120 Ah kapasiteli bir kurşun akümülatörün şarjlı ve deşarj olmuş durumlarındaki sülfürik asit çözeltilerinin hacimleri arasındaki farkı hesaplayınız.
Soru metni resmi İngilizce metinden çevrilmiştir.
Cevaplar
-
7.1 Deşarj: \[ \ce{Pb + PbO2 + 2H2SO4 -> 2PbSO4 + 2H2O}. \] Şarj, ters tepkimeyle gerçekleşir.
-
7.2 Yazıldığı biçimiyle, \(53.6\ \mathrm{Ah}\) yüke karşılık gelen tepkime başına deşarj sırasında \(196\ \mathrm{g}\) \(\ce{H2SO4}\) tüketilir ve \(36.0\ \mathrm{g}\) \(\ce{H2O}\) oluşur. Eşdeğer olarak bu miktarlar sırasıyla \(3.66\) ve \(0.672\ \mathrm{g\,Ah^{-1}}\) değerlerindedir. \(120\ \mathrm{Ah}\) için bu miktarlar \(439\ \mathrm{g}\) ve \(80.6\ \mathrm{g}\) olur. Şarj sırasında tüketim ve oluşum tersine döner.
-
7.3 Başlangıçta bulunması gereken en az saf \(\ce{H2SO4}\) miktarı \[ \boxed{m(\ce{H2SO4})=634\ \mathrm{g}}, \] olup bu miktar, şarjlı durumdaki yaklaşık \(1.72\ \mathrm{kg}\) elektrolitin içinde bulunur.
-
7.4 \[ \boxed{V_{\mathrm{charged}}-V_{\mathrm{discharged}} =1.06\times10^2\ \mathrm{cm^3}=0.106\ \mathrm{L}}. \] Deşarj sırasında elektrolit hacmi azalır.
Çözüm
7.1
Deşarj sırasında metalik kurşun, \(0\) yükseltgenme basamağından \(+\mathrm{II}\) basamağına yükseltgenirken kurşun(IV) oksitteki kurşun, \(+\mathrm{IV}\) basamağından \(+\mathrm{II}\) basamağına indirgenir. Her iki elektrotta da kurşun(II) sülfat oluşur.
Deşarj yarı tepkimeleri şöyledir:
\[ \begin{aligned} \text{Negatif elektrot:}\quad& \ce{Pb(s) + SO4^{2-}(aq) -> PbSO4(s) + 2e-},\\ \text{Pozitif elektrot:}\quad& \ce{PbO2(s) + 4H+(aq) + SO4^{2-}(aq) + 2e- -> PbSO4(s) + 2H2O(l)}. \end{aligned} \]
Bu yarı tepkimeler toplandığında toplam deşarj tepkimesi elde edilir:
\[ \boxed{\ce{Pb(s) + PbO2(s) + 2H2SO4(aq) -> 2PbSO4(s) + 2H2O(l)}}. \]
Şarj sırasında dış bir kaynak ters tepkimenin gerçekleşmesini sağlar:
\[ \boxed{\ce{2PbSO4(s) + 2H2O(l) -> Pb(s) + PbO2(s) + 2H2SO4(aq)}}. \]
Burada kullanılan moleküler ve iyonik türler sülfürik asit, OS(=O)(=O)O; su, O; sülfat iyonu, [O-]S(=O)(=O)[O-]; ve hidrojen iyonu, [H+] şeklindedir. Sulu çözeltideki hidrojen iyonu, solvatlanmış bir protonu ifade eder. Kurşun, kurşun(IV) oksit ve kurşun(II) sülfat, uzanımlı katı fazlardır; moleküler SMILES gösterimleri bunların kristal örgülerini tanımlamaz.
7.2
Şu molar kütleleri kullanalım:
\[ M(\ce{H2SO4})=98.0\ \mathrm{g\,mol^{-1}}, \qquad M(\ce{H2O})=18.0\ \mathrm{g\,mol^{-1}}. \]
Toplam tepkime yazıldığı biçimiyle gerçekleştiğinde dış devreden iki mol elektron geçer. Buna karşılık gelen yük
\[ Q_0=(2\ \mathrm{mol})(26.8\ \mathrm{Ah\,mol^{-1}}) =53.6\ \mathrm{Ah}. \]
Bu tepkime ilerleme miktarında deşarj sırasında tüketilen asit kütlesi
\[ m(\ce{H2SO4})=(2\ \mathrm{mol})(98.0\ \mathrm{g\,mol^{-1}}) =196\ \mathrm{g} \]
ve oluşan su kütlesi
\[ m(\ce{H2O})=(2\ \mathrm{mol})(18.0\ \mathrm{g\,mol^{-1}}) =36.0\ \mathrm{g}. \]
Dolayısıyla aktarılan her bir mol elektron başına bir mol asit tüketilir ve bir mol su oluşur. \(Q\) yükü için,
\[ m_{\text{tüketilen asit}}=\frac{Q}{F}M(\ce{H2SO4}), \qquad m_{\text{oluşan su}}=\frac{Q}{F}M(\ce{H2O}). \]
Amper-saat başına bu miktarlar
\[ \frac{98.0}{26.8}=3.66\ \mathrm{g\,Ah^{-1}}, \qquad \frac{18.0}{26.8}=0.672\ \mathrm{g\,Ah^{-1}}. \]
Sonraki kısımlarda ele alınan \(120\ \mathrm{Ah}\) deşarj için,
\[ n(e^-)=\frac{120\ \mathrm{Ah}}{26.8\ \mathrm{Ah\,mol^{-1}}} =4.47761\ \mathrm{mol}. \]
Buna göre,
\[ \begin{aligned} a&\equiv m_{\text{tüketilen asit}} =4.47761(98.0)=438.806\ \mathrm{g},\\ b&\equiv m_{\text{oluşan su}} =4.47761(18.0)=80.5970\ \mathrm{g}. \end{aligned} \]
Şarj sırasında aynı kütlede su tüketilir ve aynı kütlede asit yeniden oluşur.
7.3
Şarjlı akümülatördeki elektrolitin kütlesi \(m_c\) olsun. Başlangıçtaki asit kütlesi
\[ m_{\mathrm{acid},c}=0.3687m_c. \]
Deşarj sonrasında asit kütlesi \(0.3687m_c-a\) olur. Asit tüketilip su oluştuğu için toplam elektrolit kütlesi şu değeri alır:
\[ m_d=m_c-a+b=m_c-358.209\ \mathrm{g}. \]
Başlangıçtaki en az miktar, \(120\ \mathrm{Ah}\) deşarj sonunda asit derişimi izin verilen alt sınıra tam olarak ulaştığında elde edilir:
\[ \frac{0.3687m_c-a}{m_c-a+b}=0.1435. \]
Yeniden düzenlersek,
\[ m_c= \frac{a-0.1435(a-b)}{0.3687-0.1435} = \frac{438.806-0.1435(358.209)}{0.2252} =1720.26\ \mathrm{g}. \]
Dolayısıyla başlangıçta gereken saf sülfürik asit kütlesi
\[ m_{\mathrm{acid},c} =0.3687(1720.26) =634.261\ \mathrm{g}, \]
ya da
\[ \boxed{m_{\mathrm{acid},c}=634\ \mathrm{g}}. \]
Kontrol amacıyla, deşarj sonrasında elektrolitteki asit kütlesi
\[ 634.261-438.806=195.455\ \mathrm{g} \]
olup bu asit \(1362.05\ \mathrm{g}\) çözelti içinde bulunur; böylece
\[ \frac{195.455}{1362.05}\times100\%=14.35\%. \]
7.4
Verilen yoğunlukları kullanıp son çıkarma işlemine kadar fazladan basamakları korursak,
\[ V_c=\frac{m_c}{\rho_c} =\frac{1720.26\ \mathrm{g}}{1.28\ \mathrm{g\,cm^{-3}}} =1343.95\ \mathrm{cm^3}. \]
Deşarj olmuş durumdaki elektrolit kütlesi
\[ m_d=1720.26-438.806+80.5970 =1362.05\ \mathrm{g}, \]
olduğundan hacmi
\[ V_d=\frac{m_d}{\rho_d} =\frac{1362.05\ \mathrm{g}}{1.10\ \mathrm{g\,cm^{-3}}} =1238.23\ \mathrm{cm^3}. \]
Böylece
\[ \boxed{ V_c-V_d=105.725\ \mathrm{cm^3} \approx1.06\times10^2\ \mathrm{cm^3} }. \]
Çözüm, resmi çözümle karşılaştırılarak kontrol edildi.
IChO 1976 · Problema teórico 7
Acumulador de plomo
La densidad de una disolución de ácido sulfúrico en un acumulador de plomo cargado debe ser igual a \(\rho = 1.28\ \mathrm{g\,cm^{-3}}\), lo que corresponde a una disolución que contiene un 36.87 % de \(\ce{H2SO4}\) en masa. En un acumulador de plomo descargado, no debe disminuir por debajo del valor de \(\rho = 1.10\ \mathrm{g\,cm^{-3}}\), que corresponde a una disolución de ácido sulfúrico al 14.35 %.
(La constante de Faraday \(F\) es igual a \(26.8\ \mathrm{Ah\,mol^{-1}}\).)
Cuestiones:
7.1 Escriba la ecuación de la reacción electroquímica global que tiene lugar en el acumulador de plomo durante la carga y la descarga.
7.2 Calcule las masas de \(\ce{H2O}\) y \(\ce{H2SO4}\) que se consumen o se forman según la ecuación del apartado 1.
7.3 Calcule la masa de \(\ce{H2SO4}\) que debe añadirse a un acumulador de plomo con una capacidad de 120 Ah para que el contenido de \(\ce{H2SO4}\) se encuentre dentro del intervalo indicado en el enunciado.
7.4 Calcule la diferencia entre los volúmenes de las disoluciones de ácido sulfúrico en un acumulador de plomo cargado y descargado con una capacidad de 120 Ah.
Enunciado traducido del texto oficial en inglés.
Respuestas
-
7.1 Descarga: \[ \ce{Pb + PbO2 + 2H2SO4 -> 2PbSO4 + 2H2O}. \] La carga tiene lugar mediante la reacción inversa.
-
7.2 Por cada reacción tal como está escrita, que corresponde a \(53.6\ \mathrm{Ah}\), la descarga consume \(196\ \mathrm{g}\) de \(\ce{H2SO4}\) y forma \(36.0\ \mathrm{g}\) de \(\ce{H2O}\). De manera equivalente, estas cantidades son \(3.66\) y \(0.672\ \mathrm{g\,Ah^{-1}}\), respectivamente. Para \(120\ \mathrm{Ah}\), son \(439\ \mathrm{g}\) y \(80.6\ \mathrm{g}\). Durante la carga se invierten el consumo y la formación.
-
7.3 La cantidad inicial mínima de \(\ce{H2SO4}\) puro es \[ \boxed{m(\ce{H2SO4})=634\ \mathrm{g}}, \] contenida en aproximadamente \(1.72\ \mathrm{kg}\) de electrolito en el estado cargado.
-
7.4 \[ \boxed{V_{\mathrm{charged}}-V_{\mathrm{discharged}} =1.06\times10^2\ \mathrm{cm^3}=0.106\ \mathrm{L}}. \] El volumen del electrolito disminuye durante la descarga.
Solución
7.1
Durante la descarga, el plomo metálico se oxida del estado de oxidación \(0\) al \(+\mathrm{II}\), mientras que el plomo del óxido de plomo(IV) se reduce del \(+\mathrm{IV}\) al \(+\mathrm{II}\). En ambos electrodos se forma sulfato de plomo(II).
Las semirreacciones de descarga son:
\[ \begin{aligned} \text{Electrodo negativo:}\quad& \ce{Pb(s) + SO4^{2-}(aq) -> PbSO4(s) + 2e-},\\ \text{Electrodo positivo:}\quad& \ce{PbO2(s) + 4H+(aq) + SO4^{2-}(aq) + 2e- -> PbSO4(s) + 2H2O(l)}. \end{aligned} \]
Al sumarlas se obtiene la reacción global de descarga:
\[ \boxed{\ce{Pb(s) + PbO2(s) + 2H2SO4(aq) -> 2PbSO4(s) + 2H2O(l)}}. \]
Durante la carga, una fuente externa impulsa la reacción inversa:
\[ \boxed{\ce{2PbSO4(s) + 2H2O(l) -> Pb(s) + PbO2(s) + 2H2SO4(aq)}}. \]
Las especies moleculares e iónicas utilizadas aquí son el ácido sulfúrico, OS(=O)(=O)O; el agua, O; el ion sulfato, [O-]S(=O)(=O)[O-]; y el ion hidrógeno, [H+]. El ion hidrógeno en disolución acuosa representa un protón solvatado. El plomo, el óxido de plomo(IV) y el sulfato de plomo(II) son fases sólidas extendidas; las representaciones SMILES moleculares no describen sus redes cristalinas.
7.2
Se utilizan las masas molares
\[ M(\ce{H2SO4})=98.0\ \mathrm{g\,mol^{-1}}, \qquad M(\ce{H2O})=18.0\ \mathrm{g\,mol^{-1}}. \]
Para la reacción global tal como está escrita, dos moles de electrones pasan por el circuito externo. La carga correspondiente es
\[ Q_0=(2\ \mathrm{mol})(26.8\ \mathrm{Ah\,mol^{-1}}) =53.6\ \mathrm{Ah}. \]
Para este avance de reacción, la descarga consume
\[ m(\ce{H2SO4})=(2\ \mathrm{mol})(98.0\ \mathrm{g\,mol^{-1}}) =196\ \mathrm{g} \]
y forma
\[ m(\ce{H2O})=(2\ \mathrm{mol})(18.0\ \mathrm{g\,mol^{-1}}) =36.0\ \mathrm{g}. \]
Por tanto, se consume un mol de ácido y se forma un mol de agua por cada mol de electrones transferidos. Para una carga \(Q\),
\[ m_{\text{ácido consumido}}=\frac{Q}{F}M(\ce{H2SO4}), \qquad m_{\text{agua formada}}=\frac{Q}{F}M(\ce{H2O}). \]
Por amperio-hora, estas cantidades son
\[ \frac{98.0}{26.8}=3.66\ \mathrm{g\,Ah^{-1}}, \qquad \frac{18.0}{26.8}=0.672\ \mathrm{g\,Ah^{-1}}. \]
Para la descarga de \(120\ \mathrm{Ah}\) considerada en los apartados siguientes,
\[ n(e^-)=\frac{120\ \mathrm{Ah}}{26.8\ \mathrm{Ah\,mol^{-1}}} =4.47761\ \mathrm{mol}. \]
En consecuencia,
\[ \begin{aligned} a&\equiv m_{\text{ácido consumido}} =4.47761(98.0)=438.806\ \mathrm{g},\\ b&\equiv m_{\text{agua formada}} =4.47761(18.0)=80.5970\ \mathrm{g}. \end{aligned} \]
La carga consume la misma masa de agua y regenera la misma masa de ácido.
7.3
Sea \(m_c\) la masa de electrolito en el acumulador cargado. Su masa inicial de ácido es
\[ m_{\mathrm{acid},c}=0.3687m_c. \]
Después de la descarga, la masa de ácido es \(0.3687m_c-a\). Puesto que se consume ácido y se forma agua, la masa total del electrolito pasa a ser
\[ m_d=m_c-a+b=m_c-358.209\ \mathrm{g}. \]
La cantidad inicial mínima se obtiene cuando la descarga de \(120\ \mathrm{Ah}\) alcanza exactamente la concentración mínima de ácido permitida:
\[ \frac{0.3687m_c-a}{m_c-a+b}=0.1435. \]
Despejando,
\[ m_c= \frac{a-0.1435(a-b)}{0.3687-0.1435} = \frac{438.806-0.1435(358.209)}{0.2252} =1720.26\ \mathrm{g}. \]
La masa inicial necesaria de ácido sulfúrico puro es, por tanto,
\[ m_{\mathrm{acid},c} =0.3687(1720.26) =634.261\ \mathrm{g}, \]
o bien
\[ \boxed{m_{\mathrm{acid},c}=634\ \mathrm{g}}. \]
Como comprobación, después de la descarga el electrolito contiene
\[ 634.261-438.806=195.455\ \mathrm{g} \]
de ácido en \(1362.05\ \mathrm{g}\) de disolución, lo que da
\[ \frac{195.455}{1362.05}\times100\%=14.35\%. \]
7.4
Utilizando las densidades dadas y conservando cifras adicionales hasta la resta final,
\[ V_c=\frac{m_c}{\rho_c} =\frac{1720.26\ \mathrm{g}}{1.28\ \mathrm{g\,cm^{-3}}} =1343.95\ \mathrm{cm^3}. \]
La masa del electrolito en el estado descargado es
\[ m_d=1720.26-438.806+80.5970 =1362.05\ \mathrm{g}, \]
por lo que su volumen es
\[ V_d=\frac{m_d}{\rho_d} =\frac{1362.05\ \mathrm{g}}{1.10\ \mathrm{g\,cm^{-3}}} =1238.23\ \mathrm{cm^3}. \]
Por consiguiente,
\[ \boxed{ V_c-V_d=105.725\ \mathrm{cm^3} \approx1.06\times10^2\ \mathrm{cm^3} }. \]
La solución se comprobó con la solución oficial.
IChO 1976 · 理论题 7
铅蓄电池
充电后的铅蓄电池中,硫酸溶液的密度应为 \(\rho = 1.28\ \mathrm{g\,cm^{-3}}\),对应溶液中 \(\ce{H2SO4}\) 的质量分数为 36.87 %。放电后的铅蓄电池中,硫酸溶液的密度不应降至 \(\rho = 1.10\ \mathrm{g\,cm^{-3}}\) 以下,该密度对应质量分数为 14.35 % 的硫酸溶液。
(法拉第常数 \(F\) 等于 \(26.8\ \mathrm{Ah\,mol^{-1}}\)。)
问题:
7.1 写出铅蓄电池充电和放电时发生的总电化学反应方程式。
7.2 根据第 1 问中的方程式,计算消耗或生成的 \(\ce{H2O}\) 和 \(\ce{H2SO4}\) 的质量。
7.3 若要使 \(\ce{H2SO4}\) 的含量处于题目给定的范围内,计算容量为 120 Ah 的铅蓄电池中需要加入的 \(\ce{H2SO4}\) 的质量。
7.4 计算容量为 120 Ah 的铅蓄电池在充电后和放电后的硫酸溶液体积之差。
题目译自官方英文原文。
答案
-
7.1 放电: \[ \ce{Pb + PbO2 + 2H2SO4 -> 2PbSO4 + 2H2O}. \] 充电时发生逆反应。
-
7.2 按所写反应方程式的化学计量关系,反应对应的电量为 \(53.6\ \mathrm{Ah}\),放电时消耗 \(196\ \mathrm{g}\) 的 \(\ce{H2SO4}\),并生成 \(36.0\ \mathrm{g}\) 的 \(\ce{H2O}\)。等价地,每安培小时的消耗量和生成量分别为 \(3.66\) 和 \(0.672\ \mathrm{g\,Ah^{-1}}\)。对于 \(120\ \mathrm{Ah}\),两者分别为 \(439\ \mathrm{g}\) 和 \(80.6\ \mathrm{g}\)。充电时,消耗与生成的关系相反。
-
7.3 纯 \(\ce{H2SO4}\) 的最小初始用量为 \[ \boxed{m(\ce{H2SO4})=634\ \mathrm{g}}, \] 这些硫酸包含在充电后约 \(1.72\ \mathrm{kg}\) 的电解液中。
-
7.4 \[ \boxed{V_{\mathrm{charged}}-V_{\mathrm{discharged}} =1.06\times10^2\ \mathrm{cm^3}=0.106\ \mathrm{L}}. \] 放电时电解液的体积减小。
解答
7.1
放电过程中,金属铅被氧化,氧化态由 \(0\) 升至 \(+\mathrm{II}\),而二氧化铅中的铅被还原,氧化态由 \(+\mathrm{IV}\) 降至 \(+\mathrm{II}\)。两个电极上均生成硫酸铅。
放电时的半反应为:
\[ \begin{aligned} \text{负极:}\quad& \ce{Pb(s) + SO4^{2-}(aq) -> PbSO4(s) + 2e-},\\ \text{正极:}\quad& \ce{PbO2(s) + 4H+(aq) + SO4^{2-}(aq) + 2e- -> PbSO4(s) + 2H2O(l)}. \end{aligned} \]
将两式相加,得到放电总反应:
\[ \boxed{\ce{Pb(s) + PbO2(s) + 2H2SO4(aq) -> 2PbSO4(s) + 2H2O(l)}}. \]
充电过程中,外部电源驱动逆反应进行:
\[ \boxed{\ce{2PbSO4(s) + 2H2O(l) -> Pb(s) + PbO2(s) + 2H2SO4(aq)}}. \]
这里涉及的分子和离子为硫酸,OS(=O)(=O)O;水,O;硫酸根离子,[O-]S(=O)(=O)[O-];以及氢离子,[H+]。水溶液中的氢离子表示溶剂化的质子。铅、二氧化铅和硫酸铅均为具有延展晶格结构的固相;分子 SMILES 无法描述它们的晶格。
7.2
采用以下摩尔质量:
\[ M(\ce{H2SO4})=98.0\ \mathrm{g\,mol^{-1}}, \qquad M(\ce{H2O})=18.0\ \mathrm{g\,mol^{-1}}. \]
按所写总反应方程式的化学计量关系,有两摩尔电子通过外电路。对应的电量为
\[ Q_0=(2\ \mathrm{mol})(26.8\ \mathrm{Ah\,mol^{-1}}) =53.6\ \mathrm{Ah}. \]
在这一反应进度下,放电消耗
\[ m(\ce{H2SO4})=(2\ \mathrm{mol})(98.0\ \mathrm{g\,mol^{-1}}) =196\ \mathrm{g} \]
并生成
\[ m(\ce{H2O})=(2\ \mathrm{mol})(18.0\ \mathrm{g\,mol^{-1}}) =36.0\ \mathrm{g}. \]
因此,每转移一摩尔电子,就消耗一摩尔硫酸并生成一摩尔水。对于电量 \(Q\),有
\[ m_{\text{消耗的硫酸}}=\frac{Q}{F}M(\ce{H2SO4}), \qquad m_{\text{生成的水}}=\frac{Q}{F}M(\ce{H2O}). \]
每安培小时对应的消耗量和生成量为
\[ \frac{98.0}{26.8}=3.66\ \mathrm{g\,Ah^{-1}}, \qquad \frac{18.0}{26.8}=0.672\ \mathrm{g\,Ah^{-1}}. \]
对于后续各问所考虑的 \(120\ \mathrm{Ah}\) 放电过程,
\[ n(e^-)=\frac{120\ \mathrm{Ah}}{26.8\ \mathrm{Ah\,mol^{-1}}} =4.47761\ \mathrm{mol}. \]
因此,
\[ \begin{aligned} a&\equiv m_{\text{消耗的硫酸}} =4.47761(98.0)=438.806\ \mathrm{g},\\ b&\equiv m_{\text{生成的水}} =4.47761(18.0)=80.5970\ \mathrm{g}. \end{aligned} \]
充电时消耗相同质量的水,并重新生成相同质量的硫酸。
7.3
设 \(m_c\) 为充电后蓄电池中电解液的质量。其中硫酸的初始质量为
\[ m_{\mathrm{acid},c}=0.3687m_c. \]
放电后,硫酸的质量为 \(0.3687m_c-a\)。由于硫酸被消耗而水生成,电解液的总质量变为
\[ m_d=m_c-a+b=m_c-358.209\ \mathrm{g}. \]
当 \(120\ \mathrm{Ah}\) 的放电使硫酸浓度恰好达到允许的下限时,初始用量最小:
\[ \frac{0.3687m_c-a}{m_c-a+b}=0.1435. \]
整理得,
\[ m_c= \frac{a-0.1435(a-b)}{0.3687-0.1435} = \frac{438.806-0.1435(358.209)}{0.2252} =1720.26\ \mathrm{g}. \]
因此,所需纯硫酸的初始质量为
\[ m_{\mathrm{acid},c} =0.3687(1720.26) =634.261\ \mathrm{g}, \]
即
\[ \boxed{m_{\mathrm{acid},c}=634\ \mathrm{g}}. \]
作为检验,放电后电解液中含有的硫酸质量为
\[ 634.261-438.806=195.455\ \mathrm{g} \]
溶液的质量为 \(1362.05\ \mathrm{g}\),因此硫酸的质量分数为
\[ \frac{195.455}{1362.05}\times100\%=14.35\%. \]
7.4
使用给定的密度,并在最后相减之前保留额外位数,
\[ V_c=\frac{m_c}{\rho_c} =\frac{1720.26\ \mathrm{g}}{1.28\ \mathrm{g\,cm^{-3}}} =1343.95\ \mathrm{cm^3}. \]
放电后电解液的质量为
\[ m_d=1720.26-438.806+80.5970 =1362.05\ \mathrm{g}, \]
因此其体积为
\[ V_d=\frac{m_d}{\rho_d} =\frac{1362.05\ \mathrm{g}}{1.10\ \mathrm{g\,cm^{-3}}} =1238.23\ \mathrm{cm^3}. \]
于是
\[ \boxed{ V_c-V_d=105.725\ \mathrm{cm^3} \approx1.06\times10^2\ \mathrm{cm^3} }. \]
解答已与官方解答核对。
IChO 1976 · Теоретическая задача 7
Свинцовый аккумулятор
Плотность раствора серной кислоты в заряженном свинцовом аккумуляторе должна быть равна \(\rho = 1.28\ \mathrm{g\,cm^{-3}}\), что соответствует раствору с массовой долей \(\ce{H2SO4}\) 36.87 %. В разряженном свинцовом аккумуляторе она не должна опускаться ниже значения \(\rho = 1.10\ \mathrm{g\,cm^{-3}}\), что соответствует 14.35 %-ному раствору серной кислоты.
(Постоянная Фарадея \(F\) равна \(26.8\ \mathrm{Ah\,mol^{-1}}\).)
Задания:
7.1 Напишите уравнение суммарной электрохимической реакции, протекающей в свинцовом аккумуляторе при его заряде и разряде.
7.2 Рассчитайте массы \(\ce{H2O}\) и \(\ce{H2SO4}\), расходуемых или образующихся согласно уравнению из пункта 1.
7.3 Рассчитайте массу \(\ce{H2SO4}\), которую необходимо внести в свинцовый аккумулятор ёмкостью 120 А·ч, чтобы содержание \(\ce{H2SO4}\) находилось в пределах, указанных в условии.
7.4 Рассчитайте разность объёмов растворов серной кислоты в заряженном и разряженном свинцовом аккумуляторе ёмкостью 120 А·ч.
Условие переведено с официального английского текста.
Ответы
-
7.1 Разряд: \[ \ce{Pb + PbO2 + 2H2SO4 -> 2PbSO4 + 2H2O}. \] При заряде протекает обратная реакция.
-
7.2 При протекании реакции в соответствии с записанным уравнением, чему соответствует заряд \(53.6\ \mathrm{Ah}\), при разряде расходуется \(196\ \mathrm{g}\) \(\ce{H2SO4}\) и образуется \(36.0\ \mathrm{g}\) \(\ce{H2O}\). В пересчёте на ампер-час эти количества составляют соответственно \(3.66\) и \(0.672\ \mathrm{g\,Ah^{-1}}\). Для \(120\ \mathrm{Ah}\) они равны \(439\ \mathrm{g}\) и \(80.6\ \mathrm{g}\). При заряде расходование и образование веществ меняются местами.
-
7.3 Минимальная начальная масса чистой \(\ce{H2SO4}\) составляет \[ \boxed{m(\ce{H2SO4})=634\ \mathrm{g}}, \] и содержится она приблизительно в \(1.72\ \mathrm{kg}\) электролита заряженного аккумулятора.
-
7.4 \[ \boxed{V_{\mathrm{charged}}-V_{\mathrm{discharged}} =1.06\times10^2\ \mathrm{cm^3}=0.106\ \mathrm{L}}. \] При разряде объём электролита уменьшается.
Решение
7.1
При разряде металлический свинец окисляется из степени окисления \(0\) до \(+\mathrm{II}\), а свинец в оксиде свинца(IV) восстанавливается из \(+\mathrm{IV}\) до \(+\mathrm{II}\). На обоих электродах образуется сульфат свинца(II).
Полуреакции при разряде:
\[ \begin{aligned} \text{Отрицательный электрод:}\quad& \ce{Pb(s) + SO4^{2-}(aq) -> PbSO4(s) + 2e-},\\ \text{Положительный электрод:}\quad& \ce{PbO2(s) + 4H+(aq) + SO4^{2-}(aq) + 2e- -> PbSO4(s) + 2H2O(l)}. \end{aligned} \]
Сложение этих полуреакций даёт суммарную реакцию разряда:
\[ \boxed{\ce{Pb(s) + PbO2(s) + 2H2SO4(aq) -> 2PbSO4(s) + 2H2O(l)}}. \]
При заряде под действием внешнего источника тока протекает обратная реакция:
\[ \boxed{\ce{2PbSO4(s) + 2H2O(l) -> Pb(s) + PbO2(s) + 2H2SO4(aq)}}. \]
Используемые здесь молекулы и ионы — серная кислота, OS(=O)(=O)O; вода, O; сульфат-ион, [O-]S(=O)(=O)[O-]; и ион водорода, [H+]. Ион водорода в водном растворе обозначает сольватированный протон. Свинец, оксид свинца(IV) и сульфат свинца(II) представляют собой протяжённые твёрдые фазы; молекулярные записи SMILES не описывают их кристаллические решётки.
7.2
Используем молярные массы
\[ M(\ce{H2SO4})=98.0\ \mathrm{g\,mol^{-1}}, \qquad M(\ce{H2O})=18.0\ \mathrm{g\,mol^{-1}}. \]
При протекании суммарной реакции в соответствии с записанным уравнением через внешнюю цепь проходят два моля электронов. Соответствующий заряд равен
\[ Q_0=(2\ \mathrm{mol})(26.8\ \mathrm{Ah\,mol^{-1}}) =53.6\ \mathrm{Ah}. \]
При такой степени протекания реакции в ходе разряда расходуется
\[ m(\ce{H2SO4})=(2\ \mathrm{mol})(98.0\ \mathrm{g\,mol^{-1}}) =196\ \mathrm{g} \]
и образуется
\[ m(\ce{H2O})=(2\ \mathrm{mol})(18.0\ \mathrm{g\,mol^{-1}}) =36.0\ \mathrm{g}. \]
Таким образом, на каждый моль перенесённых электронов расходуется один моль кислоты и образуется один моль воды. Для заряда \(Q\)
\[ m_{\text{израсходованной кислоты}}=\frac{Q}{F}M(\ce{H2SO4}), \qquad m_{\text{образовавшейся воды}}=\frac{Q}{F}M(\ce{H2O}). \]
В пересчёте на ампер-час эти количества составляют
\[ \frac{98.0}{26.8}=3.66\ \mathrm{g\,Ah^{-1}}, \qquad \frac{18.0}{26.8}=0.672\ \mathrm{g\,Ah^{-1}}. \]
Для разряда на \(120\ \mathrm{Ah}\), рассматриваемого в следующих пунктах,
\[ n(e^-)=\frac{120\ \mathrm{Ah}}{26.8\ \mathrm{Ah\,mol^{-1}}} =4.47761\ \mathrm{mol}. \]
Следовательно,
\[ \begin{aligned} a&\equiv m_{\text{израсходованной кислоты}} =4.47761(98.0)=438.806\ \mathrm{g},\\ b&\equiv m_{\text{образовавшейся воды}} =4.47761(18.0)=80.5970\ \mathrm{g}. \end{aligned} \]
При заряде расходуется такая же масса воды и вновь образуется такая же масса кислоты.
7.3
Пусть \(m_c\) — масса электролита в заряженном аккумуляторе. Начальная масса кислоты в нём равна
\[ m_{\mathrm{acid},c}=0.3687m_c. \]
После разряда масса кислоты составляет \(0.3687m_c-a\). Поскольку кислота расходуется, а вода образуется, общая масса электролита становится равной
\[ m_d=m_c-a+b=m_c-358.209\ \mathrm{g}. \]
Минимальное начальное количество соответствует случаю, когда после разряда на \(120\ \mathrm{Ah}\) концентрация кислоты достигает в точности допустимого нижнего предела:
\[ \frac{0.3687m_c-a}{m_c-a+b}=0.1435. \]
После преобразований получаем
\[ m_c= \frac{a-0.1435(a-b)}{0.3687-0.1435} = \frac{438.806-0.1435(358.209)}{0.2252} =1720.26\ \mathrm{g}. \]
Следовательно, необходимая начальная масса чистой серной кислоты равна
\[ m_{\mathrm{acid},c} =0.3687(1720.26) =634.261\ \mathrm{g}, \]
или
\[ \boxed{m_{\mathrm{acid},c}=634\ \mathrm{g}}. \]
Для проверки: после разряда электролит содержит
\[ 634.261-438.806=195.455\ \mathrm{g} \]
кислоты в \(1362.05\ \mathrm{g}\) раствора, что даёт
\[ \frac{195.455}{1362.05}\times100\%=14.35\%. \]
7.4
Используя заданные плотности и сохраняя дополнительные цифры до окончательного вычитания, получаем
\[ V_c=\frac{m_c}{\rho_c} =\frac{1720.26\ \mathrm{g}}{1.28\ \mathrm{g\,cm^{-3}}} =1343.95\ \mathrm{cm^3}. \]
Масса электролита в разряженном аккумуляторе равна
\[ m_d=1720.26-438.806+80.5970 =1362.05\ \mathrm{g}, \]
поэтому его объём составляет
\[ V_d=\frac{m_d}{\rho_d} =\frac{1362.05\ \mathrm{g}}{1.10\ \mathrm{g\,cm^{-3}}} =1238.23\ \mathrm{cm^3}. \]
Следовательно,
\[ \boxed{ V_c-V_d=105.725\ \mathrm{cm^3} \approx1.06\times10^2\ \mathrm{cm^3} }. \]
Решение проверено по официальному решению.
IChO 1976 · مسألة نظرية 7
مركم الرصاص
يجب أن تكون كثافة محلول حمض الكبريتيك في مركم رصاص مشحون مساويةً لـ \(\rho = 1.28\ \mathrm{g\,cm^{-3}}\)، وهو ما يقابل محلولًا يحتوي على 36.87 % من \(\ce{H2SO4}\) كتليًا. وفي مركم رصاص مفرغ الشحنة، يجب ألا تنخفض الكثافة عن القيمة \(\rho = 1.10\ \mathrm{g\,cm^{-3}}\)، وهو ما يقابل محلول حمض الكبريتيك بتركيز 14.35 %.
(ثابت فاراداي \(F\) يساوي \(26.8\ \mathrm{Ah\,mol^{-1}}\).)
المطلوب:
7.1 اكتب معادلة التفاعل الكهروكيميائي الكلي الذي يحدث في مركم الرصاص عند شحنه وتفريغه.
7.2 احسب كتلتي \(\ce{H2O}\) و\(\ce{H2SO4}\) اللتين تُستهلكان أو تتكونان وفقًا للمعادلة الواردة في البند 1.
7.3 احسب كتلة \(\ce{H2SO4}\) التي يلزم إضافتها إلى مركم رصاص سعته 120 Ah لكي يكون محتوى \(\ce{H2SO4}\) ضمن المجال المحدد في المسألة.
7.4 احسب الفرق بين حجمي محلولي حمض الكبريتيك في حالتي الشحن والتفريغ لمركم رصاص سعته 120 Ah.
نص المسألة مترجم عن النص الإنجليزي الرسمي.
الإجابات
-
7.1 التفريغ: \[ \ce{Pb + PbO2 + 2H2SO4 -> 2PbSO4 + 2H2O}. \] يجري الشحن بالتفاعل العكسي.
-
7.2 لكل تفاعل وفق المعادلة كما كُتبت، وهو ما يقابل \(53.6\ \mathrm{Ah}\)، يستهلك التفريغ \(196\ \mathrm{g}\) من \(\ce{H2SO4}\) ويُكوِّن \(36.0\ \mathrm{g}\) من \(\ce{H2O}\). وتكافئ هاتان الكميتان \(3.66\) و\(0.672\ \mathrm{g\,Ah^{-1}}\)، على الترتيب. وعند \(120\ \mathrm{Ah}\)، تكونان \(439\ \mathrm{g}\) و\(80.6\ \mathrm{g}\). ويعكس الشحن عمليتي الاستهلاك والتكوّن.
-
7.3 أدنى كمية ابتدائية من \(\ce{H2SO4}\) النقي هي \[ \boxed{m(\ce{H2SO4})=634\ \mathrm{g}}, \] وتوجد في نحو \(1.72\ \mathrm{kg}\) من الكهرل في حالة الشحن.
-
7.4 \[ \boxed{V_{\mathrm{charged}}-V_{\mathrm{discharged}} =1.06\times10^2\ \mathrm{cm^3}=0.106\ \mathrm{L}}. \] ينخفض حجم الكهرل عند التفريغ.
الحل
7.1
أثناء التفريغ، يتأكسد الرصاص الفلزي من حالة الأكسدة \(0\) إلى \(+\mathrm{II}\)، بينما يُختزل الرصاص في أكسيد الرصاص(IV) من \(+\mathrm{IV}\) إلى \(+\mathrm{II}\). وتتكون كبريتات الرصاص(II) عند كلا القطبين.
نصفا تفاعل التفريغ هما:
\[ \begin{aligned} \text{القطب السالب:}\quad& \ce{Pb(s) + SO4^{2-}(aq) -> PbSO4(s) + 2e-},\\ \text{القطب الموجب:}\quad& \ce{PbO2(s) + 4H+(aq) + SO4^{2-}(aq) + 2e- -> PbSO4(s) + 2H2O(l)}. \end{aligned} \]
بجمعهما نحصل على تفاعل التفريغ الكلي:
\[ \boxed{\ce{Pb(s) + PbO2(s) + 2H2SO4(aq) -> 2PbSO4(s) + 2H2O(l)}}. \]
أثناء الشحن، يدفع مصدر خارجي التفاعل في الاتجاه العكسي:
\[ \boxed{\ce{2PbSO4(s) + 2H2O(l) -> Pb(s) + PbO2(s) + 2H2SO4(aq)}}. \]
الأنواع الجزيئية والأيونية المستخدمة هنا هي حمض الكبريتيك، OS(=O)(=O)O؛ والماء، O؛ وأيون الكبريتات، [O-]S(=O)(=O)[O-]؛ وأيون الهيدروجين، [H+]. ويشير أيون الهيدروجين في المحلول المائي إلى بروتون مُذاب تحيط به جزيئات المذيب. أما الرصاص وأكسيد الرصاص(IV) وكبريتات الرصاص(II) فهي أطوار صلبة ممتدة؛ ولا تصف تمثيلات SMILES الجزيئية شبكاتها البلورية.
7.2
نستخدم الكتلتين الموليتين
\[ M(\ce{H2SO4})=98.0\ \mathrm{g\,mol^{-1}}, \qquad M(\ce{H2O})=18.0\ \mathrm{g\,mol^{-1}}. \]
في التفاعل الكلي وفق المعادلة كما كُتبت، يمر مولان من الإلكترونات عبر الدائرة الخارجية. والشحنة المقابلة هي
\[ Q_0=(2\ \mathrm{mol})(26.8\ \mathrm{Ah\,mol^{-1}}) =53.6\ \mathrm{Ah}. \]
عند هذا المقدار من تقدم التفاعل، يستهلك التفريغ
\[ m(\ce{H2SO4})=(2\ \mathrm{mol})(98.0\ \mathrm{g\,mol^{-1}}) =196\ \mathrm{g} \]
ويُكوِّن
\[ m(\ce{H2O})=(2\ \mathrm{mol})(18.0\ \mathrm{g\,mol^{-1}}) =36.0\ \mathrm{g}. \]
إذًا يُستهلك مول واحد من الحمض ويتكون مول واحد من الماء لكل مول من الإلكترونات المنتقلة. ولشحنة \(Q\)،
\[ m_{\text{الحمض المستهلك}}=\frac{Q}{F}M(\ce{H2SO4}), \qquad m_{\text{الماء المتكون}}=\frac{Q}{F}M(\ce{H2O}). \]
لكل أمبير-ساعة، تكون هاتان الكميتان
\[ \frac{98.0}{26.8}=3.66\ \mathrm{g\,Ah^{-1}}, \qquad \frac{18.0}{26.8}=0.672\ \mathrm{g\,Ah^{-1}}. \]
للتفريغ بمقدار \(120\ \mathrm{Ah}\) الذي تتناوله الأجزاء التالية،
\[ n(e^-)=\frac{120\ \mathrm{Ah}}{26.8\ \mathrm{Ah\,mol^{-1}}} =4.47761\ \mathrm{mol}. \]
وبناءً على ذلك،
\[ \begin{aligned} a&\equiv m_{\text{الحمض المستهلك}} =4.47761(98.0)=438.806\ \mathrm{g},\\ b&\equiv m_{\text{الماء المتكون}} =4.47761(18.0)=80.5970\ \mathrm{g}. \end{aligned} \]
يستهلك الشحن الكتلة نفسها من الماء ويُعيد تكوين الكتلة نفسها من الحمض.
7.3
لتكن \(m_c\) كتلة الكهرل في المركم المشحون. تكون كتلة الحمض الابتدائية فيه
\[ m_{\mathrm{acid},c}=0.3687m_c. \]
بعد التفريغ، تكون كتلة الحمض \(0.3687m_c-a\). وبما أن الحمض يُستهلك والماء يتكون، تصبح الكتلة الكلية للكهرل
\[ m_d=m_c-a+b=m_c-358.209\ \mathrm{g}. \]
تتحقق أدنى كمية ابتدائية عندما يصل التفريغ بمقدار \(120\ \mathrm{Ah}\) بتركيز الحمض إلى الحد الأدنى المسموح به تمامًا:
\[ \frac{0.3687m_c-a}{m_c-a+b}=0.1435. \]
بإعادة الترتيب،
\[ m_c= \frac{a-0.1435(a-b)}{0.3687-0.1435} = \frac{438.806-0.1435(358.209)}{0.2252} =1720.26\ \mathrm{g}. \]
وعليه، فإن الكتلة الابتدائية المطلوبة من حمض الكبريتيك النقي هي
\[ m_{\mathrm{acid},c} =0.3687(1720.26) =634.261\ \mathrm{g}, \]
أو
\[ \boxed{m_{\mathrm{acid},c}=634\ \mathrm{g}}. \]
للتحقق، يحتوي الكهرل بعد التفريغ على
\[ 634.261-438.806=195.455\ \mathrm{g} \]
من الحمض في \(1362.05\ \mathrm{g}\) من المحلول، مما يعطي
\[ \frac{195.455}{1362.05}\times100\%=14.35\%. \]
7.4
باستخدام الكثافتين المعطاتين والاحتفاظ بأرقام إضافية حتى عملية الطرح النهائية،
\[ V_c=\frac{m_c}{\rho_c} =\frac{1720.26\ \mathrm{g}}{1.28\ \mathrm{g\,cm^{-3}}} =1343.95\ \mathrm{cm^3}. \]
كتلة الكهرل في حالة التفريغ هي
\[ m_d=1720.26-438.806+80.5970 =1362.05\ \mathrm{g}, \]
ومن ثم يكون حجمه
\[ V_d=\frac{m_d}{\rho_d} =\frac{1362.05\ \mathrm{g}}{1.10\ \mathrm{g\,cm^{-3}}} =1238.23\ \mathrm{cm^3}. \]
إذن
\[ \boxed{ V_c-V_d=105.725\ \mathrm{cm^3} \approx1.06\times10^2\ \mathrm{cm^3} }. \]
تمت مراجعة الحل بمقارنته بالحل الرسمي.