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關(guān)于硫酸性質(zhì)與應(yīng)用的系列問題(1)———透過硫酸分子結(jié)構(gòu)理解其物理性質(zhì)

◇北京王篤年

硫酸在現(xiàn)代社會生產(chǎn)和生活中有著重要的地位,從科學(xué)研究到工業(yè)生產(chǎn),從中學(xué)化學(xué)教科書、實驗室到大眾文化,都不斷出現(xiàn)它的身影．硫酸產(chǎn)量是一個國家化學(xué)工業(yè)發(fā)展水平的重要標(biāo)志．關(guān)于硫酸的性質(zhì)與應(yīng)用,是中學(xué)化學(xué)的基礎(chǔ)知識,但僅僅記住這些知識是不夠的；作為高中理科學(xué)生,應(yīng)該根據(jù)硫酸的分子結(jié)構(gòu),深入理解硫酸的性質(zhì)和應(yīng)用．

1) 如何根據(jù)硫酸的分子結(jié)構(gòu)理解其物理性質(zhì)?

硫酸作為一種液態(tài)物質(zhì)(熔點10.4 ℃,沸點337℃),其物理性質(zhì)和一般的液體相比有很大的不同．黏稠、油狀、沸點極高、以任意比例溶解于水、溶解過程中釋放大量的熱……結(jié)構(gòu)決定性質(zhì),讓我們先看看硫酸分子具有怎樣的結(jié)構(gòu)，如圖1,2,3所示.

圖1　電子式　　　圖2　分子結(jié)構(gòu)模型

圖3　結(jié)構(gòu)式

硫酸分子內(nèi)有4個氧原子以及2個和氧原子直接相連的氫原子(羥基氫原子),具備形成分子間氫鍵的條件,所以,硫酸自身分子之間存在大量的氫鍵作用,故沸點和一般的液體物質(zhì)相比顯得非常高(相對分子質(zhì)量接近的烷烴C7H16,熔點90.6℃，沸點98.4℃)．由于硫酸分子之間作用力太強(qiáng),以至于流動性減弱,顯得黏稠．

硫酸分子與水分子之間也可以形成大量氫鍵,故硫酸與水可以以任意比例混溶．由于形成氫鍵的過程釋放能量,所以硫酸溶于水的過程中會釋放大量的熱(該過程也包含破壞原來的“硫酸—硫酸”“水—水”分子間氫鍵,這2個過程會吸收能量,從實驗事實看,“硫酸—水”分子間形成氫鍵釋放的能量多于破壞原來的氫鍵所吸收的能量)．硫酸具有強(qiáng)吸水性的原因,也和它容易與水分子間形成氫鍵有關(guān)．

純硫酸的密度為1.81g·cm-3,相對較大(相對分子質(zhì)量接近的烷烴C7H16密度為0.7g·cm-3),顯然也與其分子間作用力強(qiáng),彼此結(jié)合更緊密有關(guān)．

這里需要說明的是,油狀、黏稠的性狀和密度大小并無直接關(guān)聯(lián)．比如CCl4,它的密度很大(密度1.6g·cm-3),但并不黏稠,用滴管取用CCl4時可以看到,CCl4液滴比水滴小得多,又由于其密度大且與玻璃不易浸潤,一不小心很容易滴落到桌面上．

2) 硫酸的吸水性和脫水性有何區(qū)別與聯(lián)系?膽礬遇濃硫酸變白過程中,硫酸表現(xiàn)了吸水性還是脫水性?

一般認(rèn)為,吸水性屬于硫酸的物理性質(zhì),而脫水性則屬于硫酸的化學(xué)性質(zhì),但又很難說清楚硫酸是如何表現(xiàn)其化學(xué)作用的,因為吸水、脫水前后,硫酸似乎都還是硫酸,只是濃度有所降低而已．宏觀上,從硫酸的角度看,似乎二者并無本質(zhì)區(qū)別．其實不然，硫酸吸水雖然不能說就是簡單的物理過程(形成氫鍵屬于物理變化還是化學(xué)變化?這個問題存在爭議),但畢竟硫酸分子結(jié)合的是原本就獨立存在的H2O分子．相比而言,硫酸脫水的過程就很復(fù)雜了,比如硫酸使蔗糖脫水,硫酸一定參與了蔗糖脫水的反應(yīng)過程,只是最終又恢復(fù)了原來的成分而已．蔗糖結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜,讓我們以乙醇脫水過程為例加以說明:

C2H5OH+HO—SO2—OH→

C2H5—O—SO2—OH(硫酸氫乙酯)+H2O,

在硫酸催化乙醇脫水反應(yīng)中,硫酸的作用就是催化劑,其催化的本質(zhì)就是脫水,所以傳統(tǒng)說法“催化劑、脫水劑”屬于重復(fù)敘述．

把膽礬加入濃硫酸中攪拌,藍(lán)色固體逐漸變白的過程中,硫酸表現(xiàn)了吸水性還是脫水性呢?讓我們借助如圖4所示實驗加以說明.

圖4

實驗表明,圖4所示密閉系統(tǒng)內(nèi),左側(cè)容器內(nèi)的藍(lán)色的膽礬晶體經(jīng)過很長一段時間后會變白,而右側(cè)容器內(nèi)硫酸的濃度則會降低．那么此實驗中硫酸表現(xiàn)了吸水性還是脫水性呢?顯然是吸水性．若把硫酸和膽礬直接混合,膽礬變白的原理與這個實驗并無不同．

3) 何謂發(fā)煙硫酸?發(fā)煙硫酸發(fā)出的是煙嗎?

純硫酸具有吸收、溶解SO3的能力,硫酸工業(yè)正是根據(jù)這一點,利用98.3%的濃硫酸吸收SO3的,因為該溶解過程放熱少,且硫酸沸點高,不易導(dǎo)致硫酸沸騰產(chǎn)生酸霧．

吸收了過多SO3的硫酸就是發(fā)煙硫酸,吸收了過多SO3的發(fā)煙硫酸因SO3揮發(fā),與空氣中的水蒸氣作用形成大量硫酸酸霧,肉眼難以辨別是煙還是霧,被稱為“發(fā)煙硫酸”．

(作者單位：北京十一學(xué)校)