1. Описание физических и химических свойств, а также объемов производства «крови химии» не оставляет выбора – это серная кислота, как, собственно, гласит и надпись на фотографии цистерны.

Уравнения описанных в условии задачи реакций:

4Zn + 5H₂SO₄= 4ZnSO₄+ H₂S↑ + 4H₂O; 4Mn + 5H₂SO₄= 4MnSO₄+ H₂S↑ + 4H₂O(SO₂засчитывается);

Cu + 2H₂SO₄= CuSO₄+ SO₂↑ + 2H₂O; 2Ag + 2H₂SO₄= Ag₂SO₄+ SO₂↑ + 2H₂O;

S + 2H₂SO₄= 3SO₂↑ + 2H₂O; 2P + 5H₂SO₄= 2H₃PO₄+ 5SO₂↑ + 2H₂O;

NaCl + H₂SO₄= NaHSO₄+ HCl↑; 2KBr + 3H₂SO₄= 2KHSO₄+ SO₂↑ + Br₂↑ + 2H₂O;

8KI + 9H₂SO₄= 8KHSO₄+ H₂S ↑ + 4I₂+ 4H₂O.

Серная кислота — настолько сильное водоотнимающее средство, что она способна не только поглощать водяные пары, но и разрушать вещества, содержащие водород с кислородом, химически связанные с другими атомами (например, углеродом). Углерод в результате остается в виде черных хлопьев, при нагревании растворяющихся: C+ 2H₂SO₄= CO₂↑ + 2SO₂↑ + 2H₂O.

Основной потребитель серной кислоты — туковая промышленность (производство минеральных удобрений).

2. На завод поступило 40,0*10⁶*1,834 = 73,36*10⁶г жидкости, в которой содержалось 73,36*10⁶*0,95 = 69,692*10⁶г = 69,692 т серной кислоты. Для заправки 1 прибора ее требуется 1,5*10³*1,260*0,35 = 0,6615*10³г. Всего завод сможет заправить 69,692*10⁶/0,6615*10³= 105354 или около 105 тыс. аккумуляторов. Общая масса 35 % раствора, которую можно приготовить, составляет 69,692/0,35 = 199,12 т, из которых 73,36 т – масса поступившей жидкости. Воды потребуется 199,12-73,36 = 125,76 т, или, с учетом ее плотности, 125,76 м³. Точное соотношение объемов 125,76/40,0 = 3,14/1. Заметим сразу, что объем полученного раствора 199,12/1,260 = 158,03 м³заметно отличается от суммы объемов кислоты и воды (40,0+125,76 = 165,76). Имейте в виду, что попытки применить несуществующий закон сохранения объемов для расчетов по разбавлению таких концентрированных растворов приведут Вас к неверным ответам!

Аппаратчик должен сначала залить в смеситель воду, а затем при перемешивании подавать кислоту. В случае обратного порядка вода может закипеть, и, в зависимости от герметичности аппарата, ее либо оттуда выбросит, либо резко повысится давление. Никакую воду из предложенного Вам списка брать нельзя, поскольку даже «чистая вода» содержит соли, которые могут дать нежелательные продукты, как с самой кислотой, так и при зарядке аккумулятора. На заводах используют дистиллированную либо деионизованную воду, а корректирующие электролит автолюбители порой берут воду дождевую.

3. Возьмем 1 л 35 % раствора. Он весит 1260 г и содержит 1260*0,35 = 441 г или 441/98 = 4,5 моль H₂SO₄. Т.е. ее концентрация 4,5 моль/л. В водном растворе серная кислота полностью диссоциирует по первой ступени: H₂SO₄→ H⁺+ HSO₄^-, давая по 4,5 моль/л ионов (Н⁺≡H₃O⁺ — ион оксония или гидроксония). Гидросульфат-ион в крепких растворах диссоциирует не полностью: HSO₄ ⇔H⁺+ SO₄²⁻. Константа равновесия этого процесса 1,2*10⁻²= [H⁺][SO₄² ]/[HSO₄⁻] = (4,5+x)*x/(4,5-x), где х = [SO₄²⁻] – равновесная концентрация сульфат-ионов в растворе. Решив квадратное уравнение (иксом можно и пренебречь), получаем: х = [SO₄²⁻] ≈ 1,2*10⁻²+] ≈ [HSO₄⁻] ≈ 4,5 (±0,012) моль/л.

Общая молярная концентрация частиц в растворе 9,012 моль/л, для пересчета в моляльную (моль/кг растворителя) поделим ее на массу воды (в кг) в 1 л раствора: 9,012/(1,260-0,441) = 11,0 моль/кг. Температура замерзания такого раствора на 11,0*1,86 = 20,5 градусов ниже точки замерзания воды, т.е. аккумулятор замерзнет при температуре ниже минус 20,5 °C.

4. PbO + H₂SO₄= PbSO₄+ H₂O; Pb₃O₄+ 2H₂SO₄ = 2PbSO₄+ PbO₂+ 2H₂O.

Зарядка: Катод(-): PbSO₄+ 2е= Pb + SO₄^2-(PbSO₄+ H⁺+ 2е= Pb + HSO₄^-);

Анод(+): PbSO₄+ 2H₂O - 2е= PbО₂+ SO₄^2-+ 4H⁺;

Разрядка: Катод(+): PbО₂+ SO₄^2-+ 4H⁺+ 2е= PbSO₄+ 2H₂O; Е⁰_PbO2/PbSO4= 1,69 В;

Анод(-): Pb + SO₄^2-- 2е= PbSO₄;Е⁰_PbSO4/Pb= –0,36 В.

Суммарное уравнение процесса разрядки Pb + PbO₂+ 2H₂SO₄= 2PbSO₄+ 2H₂O. Для него ∆Е⁰= 1,69–(-0,36) = 2,05 В; К = exp(2*96485*2,05/8,31*298) = е^159,7= 2,4*10⁶⁹.

5. Если присмотреться к уравнению процесса разрядки, можно видеть, что уменьшение массы раствора происходит за счет превращения серной кислоты в воду, т.е. из раствора удаляется фрагмент «SO₃». При допущении, что объем раствора не изменился, очень грубую оценку можно сделать просто по уменьшению массы раствора: 1500*(1,260-1,140) = 180 г в расчете на «SO₃», что означает, что израсходовано 180*98/80 = 220,5 гсерной кислоты. Заметно более точной будет оценка, учитывающая концентрацию кислоты в конечном растворе. Масса кислоты в новом аккумуляторе 0,6615*10³= 661,5 г (п.2), после разрядки 0,2*1,140*1500 = 342 г. Израсходовано 661,5-342 = 319,5 г.

А теперь посчитаем точно. Общая масса раствора в новом аккумуляторе 1500*1,260 = 1890 г. Пусть израсходовалось х моль кислоты, следовательно, получилось х моль воды. Масса кислоты в конечном растворе будет составлять 661,5–98х г, масса всего раствора 1890–98х+18х = 1890–80х. Составим уравнение: (661,5 98х)/(1890-80х) = 0,2, откуда х = 3,46 моля. Точное значение массы израсходованной серной кислоты 3,46*98 = 339 г, что больше сделанной нами оценки. Действительно, объем электролита в разряженном аккумуляторе будет заметно меньше прежнего (1890-80*3,46)/1,14 = 1,42 л.