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電瓶水比重計~鉛蓄電池電解液稀硫酸的密度問題

這個怪怪的比重計是由一組吸球吸管與比重計組合的

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2016-12-25 11:36:45 最後編修
2016-12-25 11:28:15 By zfang
 

以前曾寫過一篇關於二種水族用的比重計文章。
『我有第三種!』同事分享。

這一天他帶來給我看,這個怪怪的比重計是由一組吸球吸管與比重計組合的,造型相當特別。


以外型來說可以說是第三種,但就內部主要測密度的部分,其實還是原來的比重計。

 

這篇文章既化學又物理,內容分為二個部分,其一是關於比重計的使用與原理(物理篇),其二則是電瓶水的比重與配置(化學篇)。

 

第一部分  比重計的使用與原理(物理篇)


這是電瓶水專用的比重計,由一組大吸管(吸球+玻璃管+吸管)與一根比重計組成。


比重計底部有許多鉛粒,使比重計在待測液體中能鉛直豎立地浮著,
即使受到擾動仍能穩定回復成垂直狀態。


上端的玻璃管刻度紙,用不同的顏色標示比重與電瓶狀態。
紅色(最上段):無電或損壞;白色(中段):需注意,或充電;黃色(最下段):OK或滿電

 

關於這隻比重計的使用,如果生活中有電瓶水,用來實測是最棒了。在實驗室我以先前做加熱實驗使用過的甘油(密度約1.25)來做示範:


用吸取的方式抽取待測溶液,不只是方便,也避免手接觸具腐蝕性的溶液。


比重計浮在待測液(甘油)中,讀取水面與浮起細玻璃平行處刻度,該讀數即為甘油的比重。


自來水的比重應該是1.0,所以比重計整支沉在水底,那是正常的。(量測範圍是1.1~1.3)


拿出海水魚缸用的比重計,將二種比重計一起來做比較~


左:電瓶用的比重計刻度較大,範圍是1.1~1.3
右:水族比重計測的是鹽水的比重(1.00~1.06),刻度值較小較細長。

 

使用水族比重計時直接將比重計放入液體中(海水魚缸),或將液體撈出用塑膠筒盛水,再將比重計放入(魚塭)即可。原理不難:比重計是浮體,浮力等於本身重,所以在不同溶液中只要是浮,浮力都相同。根據浮力公式B=V×D,液體密度與物體在液面下的體積成反比。(我們不必管液面下體積多寡,只須對應設計好的刻度即可。)


溶液密度越大,比重計在液面下的體積越小(浮的較高),刻度是愈往下愈大。


待測物甘油比重超過量測範圍(1.00~1.06),這款水族比重計就算是浮,也無法讀取比重!

 

 

第二部分 電解液(電瓶水)的二三事(化學篇)

國三課本中的鉛蓄電池,俗稱電瓶。電瓶水就是鉛電池的電解液,是由純硫酸(sulfuric acid)與蒸餾水調配而成的”稀硫酸”。透過比重計的測量才看得出稀硫酸濃度!

 

之一  充放電與電解液比重的關係

鉛電池負極為鉛板(Pb),正極為氧化鉛板(PbO2),放電後,正負極板均會轉變為硫酸鉛(PbSO4)。反應式如下:

負極(陽極)反應:Pb (s) + SO42-(aq)PbSO4(aq) + 2e-(aq)
正極(陰極)反應:PbO2(s)+ SO42-(aq)+ 4H+ (aq) + 2e- PbSO4(s)+ 2H2O(l)
總反應:Pb (s) +PbO2(s) + 2H2SO4(l) 2PbSO4(s)+ 2H2O(l)

溫度80℉時,電瓶水(稀硫酸)的標準比重為1.280。放電後,稀硫酸比重會降低,約降至1.150以下。在參考資料中看到電瓶水比重與充電程度之關係(80℉之下):

充電作用(逆反應)過程,電瓶水比重會升高。當比重連續1~2小時不再增加(1.28~1.30),就代表充滿電。若充滿電時再繼續充電,就會變成電解水冒出氣泡,正極會產生氧氣,負極產生氫氣,並發出很大熱量。

 

之二  電瓶水的配置~濃度與比重

電瓶的電量與硫酸的濃度有關,而濃度又影響密度(比重)。我在參考資料看到非化學且大量的簡單換算方法:

蒸餾水與稀硫酸之比例如下表(70℉)

不必算莫耳數、分子量、重量百分濃度…等,只要用簡單的數學就能大量配置~看這個表可能還霧煞煞,咱們來實際算算吧!

[體積的計算範例] 配製比重1.280的電解液5公升,需多少硫酸和蒸餾水?(設體積比為2.76)
參考解答:設硫酸體積為 x 公升,則水體積為 2.76x 公升,共配置 5 公升,列式:x + 2.76x = 5  可求得需要硫酸 x=1.33(公升),蒸餾水 5-1.33=3.67(公升)

[重量的計算範例] 配製比重為1.260的電解液10公斤,需多少硫酸和蒸餾水?(設重量比為1.70)
參考解答:設硫酸體積為 x 公斤,則水重量為 1.70x 公斤,共配置 5 公斤,列式:x + 1.70x = 5  可求得需要硫酸 x=1.85(公斤),蒸餾水 5-1.85 = 3.15(公斤)

 

我們一般化學上是算"莫耳濃度"較多,較少用比重。比重1.280之電解液需要純硫酸18.4M,加二倍體積的水,稀釋後濃度也有6.1M左右!  雖然說是稀硫酸,但一點兒也不稀,濃得很!難道...只要有加水稀釋,就是稀?

不管取重量或是體積,都需須將硫酸慢慢加入蒸餾水中,並且小心混合,絕對不可貿然將水倒入濃硫酸中!

 

 

之三  溫度與電瓶水比重的關係

關於電瓶水的比重,感到有趣的還有”溫度校正”。
水的體積會受溫度影響,溫度越高,水的體積膨脹,電解液的比重會減小。影響大嗎?顯然有關係,所以還有校正溫度的公式:

設電解液在溫度 T ℃(℉)時,量得的比重為ST,則在標準溫度20℃(80℉)的比重為S20(S80),其相互關係為:攝氏溫度:S20=ST+0.0007×(T-20)  華氏溫度:S80=ST+0.0004×(T-80)

[溫度校正範例]電瓶水溫度在40℉時比重為1.280,則在80℉時電瓶水的比重為何?
參考解答:換算公式S80=ST+0.0004×(T-80)來計算,S80=1.280+0.0004×(40-80)=1.264

 

最後~來複習浮力概念:

1.比重計浮得愈高,代表溶液比重越大還是越小?電瓶充電程度愈佳還是愈差?
參考答案:比重大,充電程度好!

 

2.當比重計垂直浮在密度大小不同的液體中時,浮力誰大?
參考答案:浮力皆相等,皆為比重計的重量。

 

3.比重計垂直浮在密度大的甘油中與垂直沉在密度小的水中時,二種情況的浮力大小關係?
參考答案:在甘油中的浮力大於在水中的浮力。

 

 

參考資料:
1.鉛蓄電池(Lead-acid Battery)(裡頭還有免加水鉛電池的相關資料)
2.電解液與充放電http://www.tyai.tyc.edu.tw/am/mtkao/file/car/e/car-e3.pdf
3.電瓶電水比重試驗,文章第6頁很棒,請見http://www.tyai.tyc.edu.tw/am/mtkao/file/gg/g6.pdf
4.可能也會好奇,另一種指針型的比重計是否也能做成吸取式?答案是肯定的。請見http://www.stanley-tools.com.tw/product.php?mode=show&cid=19&pid=381
5.還有電子式的比重計,連pH值都一起測http://www.greentree.com.tw/da-130.htm

 

2013-05-25

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