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硫酸的物理性质

硫酸的物理性质

发布日期:2018-06-08 作者:铜业 点击:

   

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    硫酸(化学式:H?SO?),硫的最重要的含氧酸。无水硫酸为无色油状液体,10.36℃时结晶,通常使用的是它的各种不同浓度的水溶液,用塔式法和接触法制取。前者所得为?#31181;?#31232;硫酸,质量?#36136;?#19968;般在75%左右;后者可得质量?#36136;?8.3%的纯浓硫酸,沸点338℃,相对密度1.84。

  

  硫酸是一种最活泼的二元无机强酸,能和许多金属发生反应。高浓度的硫酸有强烈吸水性,可用作脱水剂,碳化木材、纸张、棉麻织物及生物皮肉等含碳水化合物的物质。与水混合时,亦会放出大量热能。其具有强烈的腐蚀性和氧化性,故需谨慎使用。是一种重要的工业原?#24076;?#21487;用于制造肥?#31232;?#33647;物、炸药、颜?#31232;?#27927;涤剂、蓄电池等,也广泛应用于净化石油、金属冶炼以及染?#31995;?#24037;业中。常用作化学试剂,在有机合成中可用作脱水剂和磺化剂。无色粘稠状液体,有强腐蚀性,有?#30899;?#24615;气味,易溶于水,生成稀硫酸.

  

  硫酸发现于公元8世纪。阿拉伯炼丹家贾比尔通过干馏硫酸亚铁晶体得到硫酸。一些早期对化学有研究的人,如拉齐、贾比尔等,还写了有关硫酸及与其相关的矿物质的分类名单;其他一些人,如伊本·西那医师,则较为重视硫酸的种类以及它们在医学上的价值。

  

  在17世纪,德国化学家Johann Rudolf Glauber将硫与硝酸钾混合蒸汽加热制出硫酸,在这过程中,硝酸钾分解并氧化硫令其成为能与水混合并变为硫酸的三氧化硫(SO3)。于是,在1736年,伦敦药剂师Joshua Ward用此方法开拓大规模的硫酸生产。

  

  在1746年,John Roebuck则运用这个原则,开创铅室法,以更低成本有效地大量生产硫酸。经过多番的改良后,这个方法在工业上已被采用了将近两个世纪。由John Roebuck创造的这个生产硫酸的方法能制造出浓度为65%的硫酸,后来,法国化学家约瑟夫·路易·盖-吕萨克以及英国化学家John Glover将其改良,使其能制造出浓度高达78%的硫酸,可是这浓度仍不能满足一些工业上的用途。

  

  在18世纪初,硫酸的生产?#23478;?#36182;以下的方法:黄铁矿(FeS2)被燃烧成硫酸亚铁(FeSO4),然后再被燃烧,变为能在480℃下分解成氧化铁以及能用以制造任何浓度硫酸的三氧化硫的硫酸铁[Fe2(SO4)3]。可惜,此过程的庞大成本阻碍了浓硫酸的广泛运用。由约翰·道尔顿在1808年绘制的早期硫酸分?#27833;?#26174;示了硫酸有一个位于?#34892;?#30340;硫原子并与三个氧原子建立共价键,如右图。

  

  后来,到了1831年,英国制醋商人百?#30970;凇?#33778;利普斯(Peregrine Phillips)想到了接触法,能以更低成本制造出三氧化硫以及硫酸,这种方法在?#32440;?#24050;被广泛运用。

  

  在古代中国,稀硫酸被称为"绿矾油"。 在公元650~683年(唐高宗时),炼丹家孤刚子在其所着《黄帝九鼎神丹经诀》卷九中?#22270;?#36733;着"炼石胆取精华法",即干馏石胆(胆矾)而获得硫酸。

  

  酸雨中含有硫酸,酸雨中的二氧化硫(SO2)与大气中的水反应,生成亚硫酸(H2SO3),亚硫酸又被大气中的氧气氧化,生成硫酸,随雨水落到地面 ,引起酸性土壤的形成。改良酸性土壤通常用碱性物质进行中和。自然界中,很多含硫的矿物质,例如硫化亚铁,在发生氧化反应后形成硫酸,所形成的液体为高度酸性,能氧化残留的金属物,释出有毒的气体。在生物界,有一种海蛞蝓(Notaspidean pleurobranchs)?#26448;?#21943;射含硫酸的分泌物来御敌。

  

  硫酸能在金星的上层大气中?#19994;健?#36825;主要出自于太阳对二氧化硫,二氧化碳及水的光化作用。波长短于160nm的?#36132;?#20809;子能光解二氧化碳,使其变为一氧化碳及原子氧。原子氧内链非常活跃,它与二氧化硫发生反应变为三氧化硫。三氧化硫进一?#25509;?#27700;产生反应释出硫酸。硫酸在金星大气中较高较冷的地区为液体,这层厚厚的、离星球表面约45~70公里的硫酸云层覆盖整个星球表面。这层大气不断地释出酸雨。

  

  在金星里,硫酸的形成不断循环。当硫酸从大气较高较冷的区域跌?#20004;系?#36739;热的地区时被蒸发,其含水量越来越少而其浓度也就越来越高。当温度达300℃时,硫酸开始分解为三氧化硫以及水,产物均为气体。三氧化硫非常活跃并分解为二氧化硫及原子氧,原子氧接着氧化一氧化?#21058;?#20854;变为二氧化碳,二氧化硫及水会从大气中层升高到上层,它们会发生反应重新释出硫酸,整个过程又再一次循环。

  

  由伽利略号探测器传来的影像显示,硫酸亦有可能出现于木星的其中一个卫星--木卫二,但有关细节仍存有争议。

  

  纯硫酸一般为无色油状液体,密度1.84 g/cm3,沸点337℃,能与水以?#25105;?#27604;例互溶,同时放出大量的热,使水沸腾。加热到290℃时开始?#22836;?#20986;三氧化硫,最终变成为98.54%的水溶液,在317℃时沸腾而成为共沸混合物。硫酸的沸点及粘度较高,是因为其分子内部的氢键较强的缘故。由于硫酸的介电常数较高,因此它是电解质的良好溶剂,而作为非电解质的溶剂则不太理想。硫酸的熔点是10.371℃,加水或加三氧化硫均会使凝固点下降。

  

  尽管可以制出浓纯净的硫酸,并且室温下是无限稳定的(所谓的分解成恒沸物的反应发生在接近沸点的高温之下),但是纯硫酸凝固点过高(283.4K),所以为了方便运输通常制成98%硫酸,故一般所说的"高浓度硫酸"指的便是浓度为98%的硫酸。另外,硫酸在不同的浓度下有不同的应用,以下为一些常见的浓度级别:

  

  硫酸亦可被制成其他形态。例如,将高浓度的SO3通入硫酸可制成发烟硫酸(H2S2O7)。有关发烟硫酸的浓度,人们通常以SO3的百分比作准或者是H2SO4的百分比作准,两者均可。一般所称的"发烟硫酸"的浓度为45%(含109%H2SO4)或65%(含114.6% H2SO4)。100%纯发烟硫酸为固体,熔点为36℃。

  

  纯硫酸是一种极性非常大的液体,其介电系数大约为100。因为它分子与分子之间能够互相质子化对方,造成它极高的导电性,这个过程被称为质子自迁移。发生的过程是:

  

  纯硫酸加热至290℃分解放出部分三氧化硫,直至酸的浓度降到98.3%为止,这时硫酸为恒沸溶液,沸点为338°C。无水硫酸体现酸性是给出质子的能力,纯硫酸仍然具有很强的酸性,98%硫酸与纯硫酸的酸性基本上没有差别,而溶解三氧化硫的发烟硫酸是一种超酸体系,酸性强于纯硫酸,但是广泛存在一种误区,即稀硫酸的酸性强于浓硫酸,这种想法是错误的。的确,稀硫酸第一步电离完全,产生大量的水合氢离子H3O;但是浓硫酸和水一样,自身自偶电离会产生一部分硫酸合氢离子H3SO4,正是这一部分硫酸合质子,导致纯硫酸具有非常强的酸性,虽然少,但是酸性却要比水合质子强得多,所以纯硫酸的哈米特酸度函数高达-12.0。

  

  1.脱水性

  

  脱水指浓硫酸脱去非游离态水分子或按照水的氢氧原子组成比脱去有机物中氢氧元素的过程。就硫酸而言,脱水性是浓硫酸的性质,而非稀硫酸的性质,浓硫酸有脱水性且脱水性很强,脱水时按水的组成比脱去。物质被浓硫酸脱水的过程是化学变化,反应时,浓硫酸按水分子中氢氧原数的比(2:1)夺取被脱水物中的氢原子和氧原子或脱去非游离态的结晶水,如五水硫酸铜(CuSO4·5H2O)。

  

  可被浓硫酸脱水的物质一般为含氢、氧元素的有机物,其中蔗糖、木屑、纸屑和棉花等物质中的有机物,被脱水后生成了黑色的炭,这种过程称作炭化。一个典型的炭化现象是蔗糖的黑面包反应。在200mL烧杯中放入20g蔗糖,加入几滴水,水加适量,搅拌均?#21462;?#28982;后再加入15mL质量?#36136;?#20026;98%的浓硫酸,迅速搅拌。观察实验现象。可以看到蔗糖逐渐变黑,体积膨胀,形成疏松多孔的海绵状的炭,反应放热,还能闻到?#30899;?#24615;气体。

  

  (1)与金属反应

  

  ①常温下浓硫酸能使铁、铝等金属钝化。②加热时,浓硫酸可以与除金、铂之外的所有金属反应,生成高价金属硫酸盐,本身一般被还原成二氧化硫。

  

  在上述反应中,硫酸表现出了强氧化性和酸性。

  

  (2)与非金属反应

  

  热的浓硫酸可将碳、硫、磷等非金属单质氧化到其高价态的氧化物或含氧酸,本身被还原为二氧化硫。在这类反应中,浓硫酸只表现出氧化性。

  

  (3)与其他还原性物质反应

  

  浓硫酸具有强氧化性,实验室制取硫化氢、溴化氢、碘化氢等还原性气体不能选用浓硫酸。

  

  所需药品:经过盐酸酸化的氯化钡溶液,镁粉。

  

  检验方法:使用经过盐酸(HCl)酸化的的氯化钡(BaCl2)。向待测物溶液滴入几滴经过盐酸酸化的氯化钡溶液,震荡,如果产生白色沉淀;向溶液中加入镁粉后生成可燃性气体,则待测溶液中含有硫酸。但此方法仅限中学阶段。

  

  常见误区

  

  稀硫酸在中学阶段,一般当成H2SO4=2H+SO4,两次完全电离,其实不是这样的。根据硫酸酸度系数pKa1=-3.00,pKa2=1.99,其二级电离不够充分,在稀硫酸中HSO4=可逆=H+SO4并未完全电离,1mol/L的硫酸一级电离完全,二级电离约电离10%,也就是溶液中仍存在大量的HSO4。而即使是NaHSO4溶液0.1mol/L时,硫酸氢根也只电离了约30%。


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