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硫酸在现代社会生产和生活中有着重要的地位， 从科学研究到工业生产，从中学化学教科书、实验室到大众文化，都不断出现它的身影。硫酸产量是一个 国家化学工业发展水平的重要标志。关于硫酸的性质与应用，是中学化学的基础知识，但仅仅记住这些知 识是不够的；作为高中理科学生，应该根据硫酸的分子结构，深入理解硫酸的性质和应用。

1、如何根据硫酸的分子结构理解其物理性质？

硫酸作为一种液态物质(熔点10. 4 °C ，沸点337 ℃)，其物理性质和一般的液体相比有很大的不同，黏 稠、油状、沸点极高、以任意比例溶解于水、溶解过程 中释放大量的热。结构决定性质，让我们先看看硫 酸分子具有怎样的结构，如图1，2，3所示.

硫酸分子内有4个氧原子以及2个和氧原子直接相连的氢原子(羟基氢原子)，具备形成分子间氢键的条件，所以，硫酸自身分子之间存在大量的氢键作用，故沸点和一般的液体物质相比显得非常高(相对分子质量接近的烷烃C₇H₁₆，熔点90. 6 °C，沸点98.4 ℃)。由于硫酸分子之间作用力太强，以至于流动性减 弱，显得黏稠。

请根据磷酸的结构()思考，磷酸是否也和硫酸一样具有很高的熔点、沸点？

磷酸和硫酸具有相同的相对分子质量，分子中的氧原子数和硫酸一样，且比硫酸多出1个羟基氢原子，可以想象， 磷酸分子间也极易形成大量氢键，也应该和硫酸一样 具有很高的熔点(42 °C)和沸点(261 °C，分解，磷酸受热逐渐脱水，因此无自身沸点)，其熔点比硫酸还要高，室温下纯净的磷酸呈固态，实验室常用磷酸溶液是非常黏稠的、85%左右的水溶液。同理，鸡蛋白、浓的糖水、蜂蜜等液态物质呈黏稠状态，不易流动，也与其内部存在大量氢键、分子间作用力强有关。

硫酸分子与水分子之间也可以形成大量氢键，故硫酸与水可以以任意比例混溶，由于形成氢键的过程释放能量，所以硫酸溶于水的过程中会释放大量的热 (该过程也包含破坏原来的“硫酸一硫酸”“水一水”分子间氢键，这2个过程会吸收能量，从实验事实看， “硫酸一水”分子间形成氢键释放的能量多于破坏原来的氢键所吸收的能量)。硫酸具有强吸水性的原因， 也和它容易与水分子间形成氢键有关。

纯硫酸的密度为1. 81 g・cm^－3，相对较大(相对分子质量接近的烷烃C₁₇H₁₆密度为0.7 g・cm^-3)，显然 也与其分子间作用力强，彼此结合更紧密有关。

这里需要说明的是，油状、黏稠的性状和密度大小并无直接关联。比如CCl₄，它的密度很大(密度1. 6 g・cm^－3)，但并不黏稠，用滴管取用CCl₄时可以看到， CCl₄液滴比水滴小得多，又由于其密度大且与玻璃不易浸润，一不小心很容易滴落到桌面上。

2、硫酸的吸水性和脱水性有何区别与联系？胆矾遇浓硫酸变白过程中，硫酸表现了吸水性还是脱水性？

一般认为，吸水性属于硫酸的物理性质，而脱水性则属于硫酸的化学性质，但又很难说清楚硫酸是如何表现其化学作用的，因为吸水、脱水前后，硫酸似乎都还是硫酸，只是浓度有所降低而已。宏观上，从硫酸的角度看，似乎二者并无本质区别。其实不然，硫酸吸水虽然不能说就是简单的物理过程(形成氢键属于物理变化还是化学变化？这个问题存在争议)，但毕竟硫酸分子结合的是原本就独立存在的H₂O分子，相比而言，硫酸脱水的过程就很复杂了，比如硫酸使蔗糖脱水，硫酸一定参与了蔗糖脱水的反应过程，只是最终又恢复了原来的成分而已。蔗糖结构比较复杂， 让我们以乙醇脱水过程为例加以说明：

在硫酸催化乙醇脱水反应中，硫酸的作用就是催化剂，其催化的本质就是脱水，所以传统说法“催化剂、 脱水剂”属于重复叙述。

把胆矾加入浓硫酸中搅拌，蓝色固体逐渐变白的 过程中，硫酸表现了吸水性还是脱水性呢？让我们借助如图4所示实验加以说明。

实验表明，图4所示密闭系统内，左侧容器内的蓝色的胆矾晶体经过很长一段时间后会变白，而右侧容器内硫酸的浓度则会降低。

那么此实验中硫酸表现了吸水性还是脱水性呢？显然是吸水性.若把硫酸和胆矾直接混合，胆矾变白的原理与这个实验并无不同。

3、何谓发烟硫酸？发烟硫酸发出的是烟吗？

纯硫酸具有吸收、溶解SO₃的能力，硫酸工业正是根据这一点，利用98.3%的浓硫酸吸收SO₃的，因为该溶解过程放热少，且硫酸沸点高，不易导致硫酸沸腾产生酸雾。

吸收了过多SO₃的硫酸就是发烟硫酸，吸收了过 多SO₃的发烟硫酸因SO₃挥发，与空气中的水蒸气作 用形成大量硫酸酸雾，肉眼难以辨别是烟还是雾，被称 为“发烟硫酸”。

4、硫酸分子能不能一次性电离出2个氢离子？

看一些旧的中学教科书或教辅资料时，往往会看到这样的电离方程式H₂SO₄=2H^＋＋SO₄^2－

事实上，该方程式存在严重的科学性错误，错误由“硫酸是二元强酸”的说法导致，硫酸的确属于强酸，也是二元酸，但如果认为它可以一次性电离出2个氢离子，就有问题了。实验证明，在稀硫酸溶液里，硫酸的一级电离是完全的，H₂SO₄=H^＋＋HSO₄^－。但HSO₄^－离子因已经带有1个单位的负电荷，就不太容易失去第2个H^＋了，查阅数据手册知，HSO₄^－的电离平衡常数为1.2×10^－2。以比较稀的硫酸(0.1mol·L^－1)为例，计算HSO₄^－的电离度(0.1mol·L^－1H^＋是第1步电离产生的)。

设发生电离的HSO₄^－浓度为x，则:

HSO₄^－ ⇌    H^＋   ＋   SO₄^2－

开始/(mol·L^－1)   0·1       0.1     0 

平衡/(mol·L^－1)  0·1－x     0·1＋x    x

K_a(HSO₄^－)=(0.1＋x)·x/(0.1－x)=1.2×10^－2，解得：x=0.010mol·L^－1.也就是说，在0.1mol·L^－1稀硫酸里，HSO₄^－只有10%发生电离，变为SO₄^2－和H^＋，而1mol HSO₄^－中有90%是以HSO₄^－的形式存在于溶液中的。换句话说，0.1mol·L^－1的稀硫酸里，游离的H^＋并不是0.2mol·L^－1，而只有0.11mol·L^－1.根据电解质电离规律可知，在浓度大于0.1mol·L^－1的稀硫酸里，HSO₄^－电离的程度还要小。

如果该稀硫酸与碱性物质或一些能够结合SO₄^2－形成沉淀盐的离子(如Ba^2＋)作用，由于H^＋或SO₄^2－的不断消耗，可以拉动HSO₄^－的电离平衡不断向右移动，最终发生完全电离，提供出0.2mol·L^－1的H^＋。

5、在浓硫酸和稀硫酸中，硫元素都是＋6价，为什么浓硫酸具有强氧化性而稀硫酸没有强氧化性？

在前面“关于氧化还原反应原理与规律”的文章中提到，物质是否显示氧化性，除了看其中元素的价态(可能性)外，还应考虑物质结构的稳定性(可行性)。同样是硫酸，浓硫酸具有强氧化性而稀硫酸则氧化性很弱，除了浓度的差异原因外，更重要的是稀硫酸中硫酸分子发生了电离，电离后的HSO₄^－、SO₄^2－发生了水合作用，形成了比较稳定的水合离子，当然，稀硫酸并不是完全没有氧化性，它至少可以显示H^＋的稳定性。

6、怎样理解硫酸与铜反应中有的硫酸表现了氧化性而有的则只表现了酸性？

铜与浓硫酸反应的化学方程式为:

Cu＋2H₂SO₄(浓)CuSO₄＋SO₂↑＋2H₂O.

1mol Cu与2mol H₂SO₄发生反应，显然被还原为SO₂的1mol H₂SO₄得到电子，显示了氧化性，另外1mol H₂SO₄起了怎样的作用呢?一般认为它只起了酸的作用，显示了酸性，为什么说它显酸性呢？

初中化学里学习酸的性质时，提到酸具有一些通性，如：与酸碱指示剂作用、与活泼金属反应放出H₂、与碱性氧化物反应得到盐和水、与碱中和得到盐和水、与某些盐反应得到新酸和新盐等。可以看到，上述酸的各项通性里，除了与指示剂作用外，其他反应中的酸都变成了盐，所以说，在Cu与H₂SO₄的反应中，没有被还原1mol H₂SO₄由反应前的酸转化为生成物里的盐(CuSO₄)，显示了酸性。还可以这样理解，铜被氧化，最初生成的产物是CuO，CuO作为碱性氧化物会立即与H₂SO₄发生反应，最终得到CuSO₄与H₂O。当然，这些都只是根据宏观规律所做的表面化的解释，因为酸的本质不是酸根离子，而是H^＋。请问，被还原的1mol H₂SO₄除了氧化性(是硫元素表现出来的)外，有没有表现出酸性？如果说它没有表现酸性，那么H^＋在反应后去哪里了？同样的，在碳与浓硫酸的反应中，硫酸是否表现出酸性呢？硫酸的H^＋在反应后都已经不再单独存在，而是转化为H₂O，也可以认为它们表现了酸性。

7、硫酸与铜反应生成CuSO₄和H₂O，为什么溶液不呈蓝色呢？

我们知道，干燥的CuSO₄粉末是白色的，CuSO₄溶液呈蓝色是因为Cu^2＋发生水合形成[Cu(H₂O)₄]^2＋的缘故。虽然看上去铜与浓硫酸反应也产生了一些H₂O，但这些水在浓硫酸中并不能以游离水分子的形式存在，而是被周围大量的H₂SO₄分子通过氢键牢牢地结合、固定起来，几乎没有机会与Cu^2＋接触、作用，难以形成[Cu(H₂O)]^2＋顺便提及，大家如果做过该实验的话就一定看得到，加热后的试管内并不是纯粹的白色粉末，而是在白色粉末中掺杂有细小的黑色颗粒，看上去呈灰白色一堆固体物质沉积在试管底部，这是因为反应条件激烈，形成了Cu₂S、CuS等杂质，有人已经通过实验对此做过比较深入的研究。

8、用浓硫酸与NaCl反应可以制得HCl，这是否说明H₂SO₄酸性比盐酸强？

实验室制取HCl的方法之一是利用浓硫酸与固体食盐混合加热：

H₂SO₄(浓)＋NaClNaHSO₄＋HCl↑

或H₂SO₄＋2NaClNa₂SO₄＋2HCl↑

并不能依据该反应说硫酸的酸性比盐酸强，因为该反应的推动力是熵增(固体与液体反应产生气体物质)，硫酸所表现的性质只是酸性和难挥发性，如果这个说法不能令人信服，可以接着看下面的反应:

H₃PO₄＋2NaClNa₂HPO₄＋2HCl↑，

H₃PO₄＋2NaBrNa₂HPO₄＋2HBr↑，

H₃PO₄＋2KIK₂HPO₄＋2HI↑。

盐酸、氢溴酸、氢碘酸都属于典型的强酸，而磷酸只是一种中等强度的酸，我们不能根据这些反应就说磷酸的酸性比盐酸、氢溴酸、氢碘酸都强，上述反应的推动力也是熵增效应，磷酸所表现的性质是酸性与难挥发性。

9、为什么用浓硫酸制取HNO₃时只能微热生成NaHSO₄而不能生成Na₂SO₄?

用浓硫酸制取HCl、HF等物质时，可以通过加热使硫酸分子中的2个H都转化为挥发性酸：

H₂SO₄(浓)＋2NaClNa₂SO₄＋2HCl↑

H₂SO₄(浓)＋CaF₂CaSO₄＋2HF↑

而实验室里用硫酸与NaNO₃反应制取HNO₃时，化学方程式却只能写成

H₂SO₄＋NaNO₃NaHSO₄＋HNO₃↑

这与硝酸的不稳定性有关，硝酸受热易分解，而若要使硫酸的第2个氢电离发挥作用，温度要达到500℃以上，这样的温度下硝酸就会分解殆尽，最终得不到HNO₃。

10、浓硫酸具有强氧化性，为什么却能用来干燥还原性气体H₂、CO和SO₂？

浓硫酸是常用的气体干燥剂，然而它具有强氧化性，所以不能用浓硫酸干燥H₂S、HI、HBr等还原性气体，然而H₂、CO、SO₂气体都是广泛使用的气体还原剂，为什么却可以用浓硫酸干燥呢?

观察总结H₂、CO作为还原剂时的反应条件可知，它们都是在加热或高温状态下发挥其还原性的.这是为什么呢？这与H₂、CO的分子结构比较牢固有关。我们知道，分子参加化学反应的前提是旧的化学键被破坏，CO分子内2个原子通过三键连接，键能很大(1076kJ·mol^－1)，故分子不易拆开；氢气分子内2个原子间虽然只是共价单键连接，但是这个单键键长太短，导致键能很大(436kJ·mol^－1)，分子结构也非常稳定。所以常温下，H₂、CO都不容易被氧化，故而可以用浓硫酸干燥.SO₂虽然具有强还原性，但因为硫元素常见价态有－2、0、＋4、＋6价，假设硫酸将SO₂氧化，则只能是SO₂氧化为H₂SO₄而H₂SO₄还原为SO₂，最终结果是反应物和产物都没有变化。自然界里，这样的“反应”实际上是不会发生的，所以说，硫酸并不能氧化SO₂气体。

11、硫酸能不能干燥NO、乙烯？

都不能.实验事实表明，NO通入浓硫酸后会全部被吸收。目前尚没有找到明确的文献说明，但根据NO分子结构及有关化合物(亚硝酰硫酸NOHSO₄)存在的资料可以猜测，吸收原理无非有如下2个方面：一是简单的溶解吸收，因为NO是极性分子，根据相似相溶原理，它应该可以溶解于极性溶剂硫酸之中；二是化学反应，NO具有很强的还原性而硫酸具有强氧化性，二者相遇发生反应：

2NO＋3H₂SO₄=2NOHSO₄(亚硝酰硫酸)＋SO₂＋2H₂O.

常温下乙烯与浓硫酸的反应在历史上曾有重要的应用—乙烯水化法制乙醇，具体步骤如下：

第1步，乙烯通入浓硫酸中，发生如下加成反应:

CH₂=CH₂＋H－OSO₃H(浓硫酸)→C₂H₅－OSO₃H(硫酸氢乙酯)

第2步，硫酸氢乙酯水解得乙醇，然后通过蒸馏把乙醇分离.

C₂H₅－OSO₃H＋H－OH→C₂H₅－OH＋H₂SO₄

此法第1步并不需要什么催化剂，乙烯通入浓硫酸即可发生.该法理论上看非常合适，硫酸可以循环利用，完全符合绿色化学思想。但实践中发现，该法把大量的浓硫酸转化为稀硫酸，而稀硫酸的浓缩需要耗费很多的能量，所以早已被新的工艺取代。