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。

     在高中化学教学中，又补充了几条性质。分别是： （10）有强氧化性，（11）是一个强酸，（12）是许多有机反应的催化剂，（14）可以成酯或提供磺酸基。

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. 对物理性质的解释

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. 对“与水分子结合”的解释

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. 对“在水分子作用下电离”的解释

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. 对“硫酸分子得电子”的解释

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SO₄^2-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SO₄^2-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SO₄^2-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. 含氧酸的通性

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. 不易挥发

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. 比重大及粘度大

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. 吸水性

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. 脱水性

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. 酸的通性

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. 是一个强酸

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. 是一个二元酸

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. 强氧化性

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. 腐蚀性

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。