关于硫酸的知识汇总

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分类: 中学化学教法 |
关于硫酸的知识汇总
硫酸是一种重要的化学试剂和化工原料,在化学实验室和工业生产中都有重要作用,这与它的诸多性质是分不开的。因此,在中学化学的初、高中教学阶段,都会涉及和讲述硫酸的一些性质,并更多次地提及了硫酸的用途。
在越来越重视学生能力培养,要求学生对知识能灵活运用的情况下,把硫酸的性质和用途联系起来的习题也越来越多。
为此,有必要把硫酸的性质与其用途的关系也归纳、总结一下。
一、硫酸的性质
硫酸性质及用途的教学是分阶段,及分步骤来进行的。
在初中化学教学中,提及的硫酸性质有近十条。分别是:(1)不易挥发,(2)比重大,(3)浓硫酸能吸水,(4)浓硫酸能脱水,(5)有腐蚀性,(6)它溶于水时会放出大量的热,(7)是二元酸,(8)是含氧酸,(9)有酸的通性。
学生在化学实验中,还会观察及感受到的性质有,(15)浓硫酸的粘度大,(16)浓硫酸的导电性不够强。
在硫酸的工业制法中还可能会涉及到,SO3要用浓硫酸来吸收(不用水)。也就是(17)SO3易溶于浓硫酸。
从上述的这诸多编号不难看出,仅其性质也是一个庞杂的体系。
要把这十多个性质间的关系梳理出来如下,学生才会更容易理解及记忆。
二、硫酸结构与性质的关系
硫酸之所以会有这么多的性质,当然是其内因在起作用,也就是由其分子结构的特点所决定的。
硫酸的分子结构式通常用如下的(1)或(2)式来表示:
其成酸的S原子及2个羟基O原子都是sp3杂化的。
也就是说,硫酸分子中的两个羟基,与水分子中的O并没有什么本质的差别。在这个羟基氧上,也有2个孤电子对、也有通过共价键结合着的H原子。
因而,硫酸中的羟基,也极易与其他分子中的羟基产生相互作用,而形成氢键(远比一般的分子间作用力要强)。
1.
硫酸分子间的氢键,也就是较强的分子间作用力,是影响其物理性质的主要因素。
是氢键造成它的不易挥发(沸点为338.8℃)。
氢键使其分子排列紧密,加之分子量还大,所以硫酸的比重大(1.83g/cm3)。
硫酸的粘度大,更是其分子间有较强作用力的表现。
浓硫酸的导电性不强,则说明它主要是以分子的形式来存在的(溶液导电要靠能自由移动的离子)。即便硫酸分子有一定的极性,分子间有一定程度的自耦电离(平衡常数是2.7×10-4),但其导电性也要远弱于离子化合物的导电性。
2.
所谓的硫酸易于与水分子结合,实际就是硫酸分子有强烈的,与水分子成氢键的倾向。
其极强的结合水分子的能力,似乎从结构上可以给予说明:硫酸的两个羟基,能够与一个水分子组成一个更稳定一些的六元环,如上图(3)(红色字体是硫酸结合的一个水分子)。这只是一个平面的示意图,从空间看这个环应是椅式或船式。且一个硫酸分子,还不只是生成一个这样的六元环。这就使浓硫酸从外界获取水分子的能力,有显著地增强。
“吸水”就是硫酸与环境(空气)中的水分子成氢键后,大幅度地降低了周围空气中水蒸气的分压。
“脱水”就是把有机物分子中的“-H”与“-OH”按比例、以“H2O”的形式夺取出来,并使有机分子被破坏。脱水是吸水性极强的一种表现。
硫酸分子的这种极易与水分子成氢键的另一种反映形式是,这个过程有很大的焓变。即硫酸的溶解热很大(溶解时会有很多的热量放出)。
3.
硫酸作为酸类物质中的一员,其最基本的属性就是,在水分子的作用下要电离,而给出氢离子。在其溶液中有显著量的氢离子,这是稀硫酸具有酸通性的根本原因。
所谓酸的通性,就是溶液中H+离子的性质。像,与金属反应,与碱性氧化物反应,与碱反应……等,这里就不再赘述。
但是与一般的酸类物质相比较,从硫酸的组成及结构上看,还有两个应强调的特点。
一是,它有两个羟基,是一个二元酸。它可以依次进行两级的电离。在一定条件下一个酸分子能给出2个氢离子。
二是,羟基中H-O键的极性很强,在水分子的作用下很容易断裂,以至于会完全解离,而表现为强酸。
4.
硫酸的氧化性是对浓硫酸而言的,也就是说,氧化性实际是硫酸分子的性质。这是其成酸原子S为+6价态,从而也有得电子能力的具体表现。
对于SO42-离子表现不出氧化性,而硫酸分子却有氧化性的原因。除了可以笼统地用“酸分子理论”来说明外。
还可以从其结构中d-pπ键的强度来加以说明。在SO42-离子及H2SO4分子中虽然都有d-pπ键。但是其中d-pπ键的有效性(即键能大小)是不同的。
在SO42-离子中S原子采取的是等性sp3杂化、离子的空间对称性好,S原子的d轨道与O原子的p轨道间,有较好的重叠。这也就意味着其中d-pπ键的强度高、键能大,S原子与O原子结合的紧,S原子也不容易发生失去氧原子的还原反应。
而在H2SO4分子中,两个羟基氧是不参与d-pπ键生成的,S原子采取的是不等性sp3杂化(对称性不好)。这就导致S原子的d轨道与2个O原子的p轨道间,重叠的程度较差。反映为其中的d-pπ键的强度低,S原子与O原子结合的不好。这样,S原子就容易发生价态要发生变化的还原反应了。
5.
含氧酸与无氧酸的最主要区别是,含氧酸分子中有羟基,即便去掉羟基或羟基中的氢原子,含氧酸的剩余部分也多为复杂结构。这就使其产生了一系列的性质,即含氧酸有如下的通性。
第一,含氧酸分子中的羟基可以发生分子内脱水,或酸分子间脱水。产物可能是酸酐,或焦×酸。
如,一个H2SO4分子脱掉一个水分子,就会成SO3。
而,两个H2SO4分子脱掉一个水分子,得到的就是H2S2O7(焦硫酸)。
像SO3可以用浓硫酸来吸收,就是利用其与硫酸反应可以生成焦硫酸,这样的性质。
第二,含氧酸的羟基与醇类物质的羟基发生分子间脱水,形成的是酯。
第三,含氧酸脱去羟基后余下的部分叫做酰基。但对硫酸有一个比较特殊的习惯性名称,硫酸去掉一个羟基后的剩余部分,被称作磺酸基。磺酸基可用于取代某有机物中的某些基团。
总之,硫酸的所有性质,都是其分子结构某一方面特点的一种表现。
三、硫酸的用途
化学物质的用途与其性质是密切相关的。物质的性质决定了其用途。
为了加深学生对硫酸各方面性质的理解,可以将这些性质通过其在用途中的表现,再深化一下。
1.
人们不会闻到,也从来没有人闻到过,常温下浓硫酸或稀硫酸有酸味,或有什么刺激性的气味。
这个性质可用于,硫酸与其他挥发性酸(如盐酸)间的区别。可以看到浓盐酸的酸雾。用湿润的蓝色石蕊试纸靠近打开瓶盖的盐酸试剂瓶口,也可以看到石蕊试纸的变红。
用于挥发性酸的制备。如,氯化钠晶体与浓硫酸反应制氯化氢。
2.
与其他液体混合而出现分层现象时,由于浓硫酸的比重很大,浓硫酸总是在下层。
这是稀释浓硫酸时,不得把水倒入浓硫酸的一个主要原因(上层的少量水容易沸腾,而导致酸液溅出)。
在用浓硫酸、硝酸与苯混合制取硝基苯时,产物硝基苯会处于两液相物质中的上一层。
在检验NO3-离子的“棕色环”实验中,浓硫酸一定要后加,且它处于两层液体中的下一层。
由于硫酸的粘度大,所以在将浓硫酸从移液管或量筒中倾出时,要有更长一些的“流出时间”。
3.
浓硫酸可作干燥剂。如在某些情况下,就可以在保干器的下一层放半杯浓硫酸,使该器皿具有“保干”的功能。
浓硫酸不得敞口存放。它会从空气中吸水,使其浓度降低。甚或导致硫酸溢出容器,腐蚀试验台面、污染环境。
4.
浓硫酸能使含氧有机物,在分子间或分子内脱去H2O分子。甚或使有机物碳化。这是浓硫酸会对人体造成伤害的最主要化学形式。
在浓硫酸中进行的反应,一般不会有水合离子作为产物来生成。如,在浓硫酸与Cu丝的反应中,通常不会看到[Cu(H2O)4]2+离子的蓝色。得到的多是白色的无水硫酸铜粉末。
为了让学生知道反映后试管中的白色沉淀就是硫酸铜,以前还有过一个稀释该反应产物的演示实验。此时,最规范的操作方法就是,将冷却后的反应产物缓慢地倒入一个充有一半体积水的小烧杯中。烧杯中的水会马上变蓝。
5.
一般都说,酸的通性有5条。
使指示剂变色。可用于硫酸与其他中性及碱性物质溶液的区分。
与活泼金属(金属活动顺序表中H之前的单质)反应。可用于这些硫酸盐及H2的制备。
与某些金属氧化物反应。用于这些金属氧化物(锈)的去除,及其硫酸盐的制备。
与某些盐的反应。可用于某些新盐及新酸的制备。这些反应当然要受到,复分解反应进行条件的制约。
与碱的中和反应。用于碱的去除,及盐的制备。这也是复分解反应。
6.
稀硫酸溶液有很强的导电性。
稀硫酸中的[H+]不会低于其标称的浓度(第一级电离是完全的)。
硫酸与某些弱酸盐的反应,即便没有气体或沉淀生成,由于有弱电解质生成,该复分解反应也可以进行。
如,反应NaAc+H2SO4=NaHSO4+HAc。虽然看不到什么反应现象,但可以闻到HAc的气味。
7.
硫酸的反应产物,有正盐与酸式盐之分。硫酸过量时,生成的往往都是酸式盐。
由于硫酸有酸式盐,所以BaSO4、PbSO4这些所谓的沉淀,在浓硫酸中也是不会存在的(成酸式盐而溶解)。
由于硫酸的第二级解离常数不比一般的弱酸小,且第一级解离对第二级的解离会有很大的影响。这就造成了两个现象。
一是,NaHSO4溶液呈酸性。因为HSO4-离子还有继续电离的趋势。
二是,对一般浓度的硫酸溶液,不能认为其[H+]就是其标称浓度的2倍。也就是严格地说,认为0.10 mol·L-1硫酸中[H+]=0.20 mol·L-1,是错的。
8.
这里指的是,与普通酸中H+离子相比,浓硫酸有更强的氧化性。即,强氧化性是对浓硫酸而言的(不包括稀硫酸)。其表现为:
与Cu等不活泼金属的反应。
冷的浓硫酸(93%以上)不与Fe、Al反应。这是由于在其表面,有致密氧化物薄膜生成,阻断了浓硫酸与这些金属的进一步接触。
与非金属的反应。
与其他还原剂的反应。
9.
严格地说“腐蚀性”并不是一个标准的化学词汇。从字面理解它,指的是能侵蚀其他物体,而使其腐烂、变质、被破坏掉,这样的性质。
从本质上来看“硫酸的腐蚀性”是,其强酸性、强氧化性及强的脱水性,这些性质的一个概括与综合。
在说硫酸有腐蚀性时,应该对具体问题作具体的分析。在某情况下,可能是某一因素在起主要作用。而在另一情况下,又可能是另外几个因素在起作用。
如,稀硫酸对Fe、Al等金属的“腐蚀”。本质上指的就是其酸性。
浓硫酸对橡胶塞有“腐蚀”作用。主要指的只是其强氧化作用。
浓硫酸对纸张、木材、衣服、皮肤有“腐蚀”性。主要恐怕还是其脱水的作用吧。
所以,在上述这几个硫酸的作用对象很明确的情况下,最好不要笼统地用“腐蚀性”来搪塞。还是明确地给出造成腐蚀的具体原因,这样才更严谨一些。
当然,在硫酸的作用对象不明确时,那就只好含糊一些来表述了。如,在用不规范的操作来稀释浓硫酸时,溅出的酸液可能接触到的物体有,人的面部、衣服、实验记录本、铁架台、橡胶塞或滴管的胶帽、木质的实验台面等。对象千差万别,作用原理也各不相同。此时,就只好用“腐蚀性”一言以蔽之了。
10. 含氧酸的性质
由于这部分所举的例子,都是很久以前中学化学教材中的一些有机化学反应,这里就从略了。