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浓硫酸的“特性”解读与拓展

1.浓硫酸的吸水作用与脱水作用

(1)浓硫酸的吸水作用

浓硫酸发生吸水作用时,硫酸分子与水分子结合,生成一系列水合物,例如H2SO4·H2O(SO3·2H2O)、 H2SO4·2H2O(SO3·3H2O)和H2SO4·4H2O (SO3·5H2O)。这些水合物很稳定,所以浓硫酸是很好的干燥剂。它不但能吸收空气中的水分,还能夺取结晶水合物中的结晶水。浓硫酸与水生成水合分子的同时,会放出大量的热。若不小心将水倾入浓硫酸中,产生的巨大热量将导致因密度较小而浮在上层的水瞬间沸腾,酸液向四周飞溅。因此在稀释硫酸时,只能在搅拌过程中把硫酸沿容器内壁缓慢地倾入水中,决不能把水倾入硫酸中。

(2)浓硫酸的脱水作用

浓硫酸可将许多有机化合物(尤其是糖类,如纤维素、蔗糖等)脱水。反应时,按水分子中氢、氧原子数的比(2: 1)夺取这些有机物分子里的氢原子和氧原子。例如,浓硫酸与蔗糖混合时,主要起脱水作用,同时浓硫酸又使游离出来的炭氧化而生成二氧化碳,它自身被还原而生成二氧化硫,反应时放出的热使水分蒸发。这些作用使有机物脱水后生成的炭的体积膨胀,并呈疏松多孔状。但是,浓硫酸使有机物脱水时,并不一定都有炭游离出来。例如,用甲酸制取一氧化碳或用乙醇制取乙烯时,虽然都用浓硫酸作脱水剂,但没有炭游离出来。

2.浓、稀硫酸的氧化作用不同的原因

在浓硫酸中,硫酸大都以分子状态存在。浓硫酸是一种氧化作用相当强的氧化剂,特别是当加热时,它的氧化性就更强了。浓硫酸的氧化作用是由分子里浓硫酸的“特性”解读与拓展氧化数为+6的硫所引起的。

加热时,绝大多数金属( Au、Pt除外)都能与浓硫酸发生反应,但都没有氢气生成。在金属活动性顺序中氢前面的金属,根据它们还原性的不同,硫酸分子里氧化数为+6的硫能被还原成不同氧化数的产物,如SO2、S和H2S等。在一般情况下,大多生成SO2。在加热情况下,当还原性强的锌与浓硫酸作用时,主要生成SO2,但往往同时有单质S和H2S生成。金属的还原性越强,生成S和H2S的倾向就越大。在金属活动性顺序里氢以后的金属,在加热情况下与浓硫酸反应,都生成SO2,而不生成S和H2S。

稀硫酸与活泼金属反应,能放出H2。这种氧化作用,实际上是金属与硫酸电离出来的氢离子反应而引起的。因此,稀硫酸的氧化作用是一般酸类共有的性质。但氢离子只能氧化金属活动性顺序中位于氢前面的金属,例如Mg、Zn、Fe等,或者说是这些活泼金属把氢离子还原了。而位于氢后面的金属,例如Cu、 Ag、Hg等,则不能与稀硫酸反应。

3.金属的钝化

常温下,浓硫酸、浓硝酸可使铁、铝等金属钝化,钝化过程是化学变化,其实质是在铁、铝的表面形成了致密的氧化膜(结构很复杂),从而阻止内部的金属继续跟浓H2SO4作用。

现在大都认为,金属的钝化是由于金属和介质作用,生成一层极薄的肉眼看不见的保护膜的结果。这层薄膜通常是氧和金属的化合物。例如,在有些情况下,铁氧化后生成结构较复杂的氧化物,其组成为Fe8O11。经过测定,铁在浓硝酸中的金属氧化膜的厚度是3 nm~4 nm。这种薄膜将金属表面和介质完全隔绝,从而使金属变得稳定。

一般地说,钝化后的金属,在改变外界钝化条件后,仍能在相当程度上保持钝化状态。例如,铁在浓硝酸中钝化后,不仅在稀硝酸中保持稳定,而且在水、水蒸气及其他介质中也能保持稳定。钝化后的铁不能从硝酸铜溶液中置换出铜。

(责任编辑:化学自习室)
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