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硫酸的物理性質

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硫酸的物理性質

發布日期:2018-06-08 作者:銅業 點擊:

   

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    硫酸(化學式:H?SO?),硫的最重要的含氧酸。無水硫酸為無色油狀液體,10.36℃時結晶,通常使用的是它的各種不同濃度的水溶液,用塔式法和接觸法制取。前者所得為粗制稀硫酸,質量分數一般在75%左右;后者可得質量分數98.3%的純濃硫酸,沸點338℃,相對密度1.84。

  

  硫酸是一種最活潑的二元無機強酸,能和許多金屬發生反應。高濃度的硫酸有強烈吸水性,可用作脫水劑,碳化木材、紙張、棉麻織物及生物皮肉等含碳水化合物的物質。與水混合時,亦會放出大量熱能。其具有強烈的腐蝕性和氧化性,故需謹慎使用。是一種重要的工業原料,可用于制造肥料、藥物、炸藥、顏料、洗滌劑、蓄電池等,也廣泛應用于凈化石油、金屬冶煉以及染料等工業中。常用作化學試劑,在有機合成中可用作脫水劑和磺化劑。無色粘稠狀液體,有強腐蝕性,有刺激性氣味,易溶于水,生成稀硫酸.

  

  硫酸發現于公元8世紀。阿拉伯煉丹家賈比爾通過干餾硫酸亞鐵晶體得到硫酸。一些早期對化學有研究的人,如拉齊、賈比爾等,還寫了有關硫酸及與其相關的礦物質的分類名單;其他一些人,如伊本·西那醫師,則較為重視硫酸的種類以及它們在醫學上的價值。

  

  在17世紀,德國化學家Johann Rudolf Glauber將硫與硝酸鉀混合蒸汽加熱制出硫酸,在這過程中,硝酸鉀分解并氧化硫令其成為能與水混合并變為硫酸的三氧化硫(SO3)。于是,在1736年,倫敦藥劑師Joshua Ward用此方法開拓大規模的硫酸生產。

  

  在1746年,John Roebuck則運用這個原則,開創鉛室法,以更低成本有效地大量生產硫酸。經過多番的改良后,這個方法在工業上已被采用了將近兩個世紀。由John Roebuck創造的這個生產硫酸的方法能制造出濃度為65%的硫酸,后來,法國化學家約瑟夫·路易·蓋-呂薩克以及英國化學家John Glover將其改良,使其能制造出濃度高達78%的硫酸,可是這濃度仍不能滿足一些工業上的用途。

  

  在18世紀初,硫酸的生產都依賴以下的方法:黃鐵礦(FeS2)被燃燒成硫酸亞鐵(FeSO4),然后再被燃燒,變為能在480℃下分解成氧化鐵以及能用以制造任何濃度硫酸的三氧化硫的硫酸鐵[Fe2(SO4)3]。可惜,此過程的龐大成本阻礙了濃硫酸的廣泛運用。由約翰·道爾頓在1808年繪制的早期硫酸分子圖顯示了硫酸有一個位于中心的硫原子并與三個氧原子建立共價鍵,如右圖。

  

  后來,到了1831年,英國制醋商人百富勤·菲利普斯(Peregrine Phillips)想到了接觸法,能以更低成本制造出三氧化硫以及硫酸,這種方法在現今已被廣泛運用。

  

  在古代中國,稀硫酸被稱為"綠礬油"。 在公元650~683年(唐高宗時),煉丹家孤剛子在其所著《黃帝九鼎神丹經訣》卷九中就記載著"煉石膽取精華法",即干餾石膽(膽礬)而獲得硫酸。

  

  酸雨中含有硫酸,酸雨中的二氧化硫(SO2)與大氣中的水反應,生成亞硫酸(H2SO3),亞硫酸又被大氣中的氧氣氧化,生成硫酸,隨雨水落到地面 ,引起酸性土壤的形成。改良酸性土壤通常用堿性物質進行中和。自然界中,很多含硫的礦物質,例如硫化亞鐵,在發生氧化反應后形成硫酸,所形成的液體為高度酸性,能氧化殘留的金屬物,釋出有毒的氣體。在生物界,有一種海蛞蝓(Notaspidean pleurobranchs)也能噴射含硫酸的分泌物來御敵。

  

  硫酸能在金星的上層大氣中找到。這主要出自于太陽對二氧化硫,二氧化碳及水的光化作用。波長短于160nm的紫外光子能光解二氧化碳,使其變為一氧化碳及原子氧。原子氧內鏈非常活躍,它與二氧化硫發生反應變為三氧化硫。三氧化硫進一步與水產生反應釋出硫酸。硫酸在金星大氣中較高較冷的地區為液體,這層厚厚的、離星球表面約45~70公里的硫酸云層覆蓋整個星球表面。這層大氣不斷地釋出酸雨。

  

  在金星里,硫酸的形成不斷循環。當硫酸從大氣較高較冷的區域跌至較低較熱的地區時被蒸發,其含水量越來越少而其濃度也就越來越高。當溫度達300℃時,硫酸開始分解為三氧化硫以及水,產物均為氣體。三氧化硫非常活躍并分解為二氧化硫及原子氧,原子氧接著氧化一氧化碳令其變為二氧化碳,二氧化硫及水會從大氣中層升高到上層,它們會發生反應重新釋出硫酸,整個過程又再一次循環。

  

  由伽利略號探測器傳來的影像顯示,硫酸亦有可能出現于木星的其中一個衛星--木衛二,但有關細節仍存有爭議。

  

  純硫酸一般為無色油狀液體,密度1.84 g/cm3,沸點337℃,能與水以任意比例互溶,同時放出大量的熱,使水沸騰。加熱到290℃時開始釋放出三氧化硫,最終變成為98.54%的水溶液,在317℃時沸騰而成為共沸混合物。硫酸的沸點及粘度較高,是因為其分子內部的氫鍵較強的緣故。由于硫酸的介電常數較高,因此它是電解質的良好溶劑,而作為非電解質的溶劑則不太理想。硫酸的熔點是10.371℃,加水或加三氧化硫均會使凝固點下降。

  

  盡管可以制出濃純凈的硫酸,并且室溫下是無限穩定的(所謂的分解成恒沸物的反應發生在接近沸點的高溫之下),但是純硫酸凝固點過高(283.4K),所以為了方便運輸通常制成98%硫酸,故一般所說的"高濃度硫酸"指的便是濃度為98%的硫酸。另外,硫酸在不同的濃度下有不同的應用,以下為一些常見的濃度級別:

  

  硫酸亦可被制成其他形態。例如,將高濃度的SO3通入硫酸可制成發煙硫酸(H2S2O7)。有關發煙硫酸的濃度,人們通常以SO3的百分比作準或者是H2SO4的百分比作準,兩者均可。一般所稱的"發煙硫酸"的濃度為45%(含109%H2SO4)或65%(含114.6% H2SO4)。100%純發煙硫酸為固體,熔點為36℃。

  

  純硫酸是一種極性非常大的液體,其介電系數大約為100。因為它分子與分子之間能夠互相質子化對方,造成它極高的導電性,這個過程被稱為質子自遷移。發生的過程是:

  

  純硫酸加熱至290℃分解放出部分三氧化硫,直至酸的濃度降到98.3%為止,這時硫酸為恒沸溶液,沸點為338°C。無水硫酸體現酸性是給出質子的能力,純硫酸仍然具有很強的酸性,98%硫酸與純硫酸的酸性基本上沒有差別,而溶解三氧化硫的發煙硫酸是一種超酸體系,酸性強于純硫酸,但是廣泛存在一種誤區,即稀硫酸的酸性強于濃硫酸,這種想法是錯誤的。的確,稀硫酸第一步電離完全,產生大量的水合氫離子H3O;但是濃硫酸和水一樣,自身自偶電離會產生一部分硫酸合氫離子H3SO4,正是這一部分硫酸合質子,導致純硫酸具有非常強的酸性,雖然少,但是酸性卻要比水合質子強得多,所以純硫酸的哈米特酸度函數高達-12.0。

  

  1.脫水性

  

  脫水指濃硫酸脫去非游離態水分子或按照水的氫氧原子組成比脫去有機物中氫氧元素的過程。就硫酸而言,脫水性是濃硫酸的性質,而非稀硫酸的性質,濃硫酸有脫水性且脫水性很強,脫水時按水的組成比脫去。物質被濃硫酸脫水的過程是化學變化,反應時,濃硫酸按水分子中氫氧原數的比(2:1)奪取被脫水物中的氫原子和氧原子或脫去非游離態的結晶水,如五水硫酸銅(CuSO4·5H2O)。

  

  可被濃硫酸脫水的物質一般為含氫、氧元素的有機物,其中蔗糖、木屑、紙屑和棉花等物質中的有機物,被脫水后生成了黑色的炭,這種過程稱作炭化。一個典型的炭化現象是蔗糖的黑面包反應。在200mL燒杯中放入20g蔗糖,加入幾滴水,水加適量,攪拌均勻。然后再加入15mL質量分數為98%的濃硫酸,迅速攪拌。觀察實驗現象。可以看到蔗糖逐漸變黑,體積膨脹,形成疏松多孔的海綿狀的炭,反應放熱,還能聞到刺激性氣體。

  

  (1)與金屬反應

  

  ①常溫下濃硫酸能使鐵、鋁等金屬鈍化。②加熱時,濃硫酸可以與除金、鉑之外的所有金屬反應,生成高價金屬硫酸鹽,本身一般被還原成二氧化硫。

  

  在上述反應中,硫酸表現出了強氧化性和酸性。

  

  (2)與非金屬反應

  

  熱的濃硫酸可將碳、硫、磷等非金屬單質氧化到其高價態的氧化物或含氧酸,本身被還原為二氧化硫。在這類反應中,濃硫酸只表現出氧化性。

  

  (3)與其他還原性物質反應

  

  濃硫酸具有強氧化性,實驗室制取硫化氫、溴化氫、碘化氫等還原性氣體不能選用濃硫酸。

  

  所需藥品:經過鹽酸酸化的氯化鋇溶液,鎂粉。

  

  檢驗方法:使用經過鹽酸(HCl)酸化的的氯化鋇(BaCl2)。向待測物溶液滴入幾滴經過鹽酸酸化的氯化鋇溶液,震蕩,如果產生白色沉淀;向溶液中加入鎂粉后生成可燃性氣體,則待測溶液中含有硫酸。但此方法僅限中學階段。

  

  常見誤區

  

  稀硫酸在中學階段,一般當成H2SO4=2H+SO4,兩次完全電離,其實不是這樣的。根據硫酸酸度系數pKa1=-3.00,pKa2=1.99,其二級電離不夠充分,在稀硫酸中HSO4=可逆=H+SO4并未完全電離,1mol/L的硫酸一級電離完全,二級電離約電離10%,也就是溶液中仍存在大量的HSO4。而即使是NaHSO4溶液0.1mol/L時,硫酸氫根也只電離了約30%。


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