本文发表于《高中数理化》,也是即将由山东科技出版社出版的《用原子的眼睛看世界——中学化学关键知识解读》中的一篇。 1.用浓硫酸跟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跟固体食盐混合加热: H2SO4+ NaCl微热 NaHSO4 + HCl↑ 或 H2SO4+ 2NaCl△ Na2SO4+ 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(固体跟液体反应产生气体物质,整个体系的混乱度增大)。 这里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你信服,可以接着看下边的反应: H3PO4+ NaCl △ NaH2PO4 + HCl↑ H3PO4+ NaBr △ NaH2PO4 + HBr↑ H3PO4+ KI △ NaH2PO4 + HI↑ 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,我们总不能根据这些反应说磷酸的酸性比盐酸、氢溴酸、氢碘酸都强吧? 上述三个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。 2.为什么用浓硫酸制HNO3时,只能微热生成NaHSO4而不能生成Na2SO4? 用浓硫酸制HCl、HF等时,可通过高温加热使硫酸的两个氢都转化为挥发性酸: H2SO4 + 2NaCl△ Na2SO4 + 2HCl↑ H2SO4 + CaF2 △ CaSO4 + 2HF↑ 而实验室里用硫酸跟NaNO3反应制取HNO3时,化学方程式却只能写成: H2SO4+ NaNO3 微热 NaHSO4 + HNO3↑ 这与硝酸的不稳定性有关。 硝酸受热易分解,若要使硫酸的第二个氢电离发挥作用,需要500℃以上,这样的温度下硝酸会分解殆尽。 3.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。 那么,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? 我们观察、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。 为什么呢?这跟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分子内两个原子通过三键连接,键能很大(1076 kJ·mol-1),故分子不易拆开; 同样道理,H2 分子内两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(436 kJ·mol-1),氢气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只有-2、0、+4、+6,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、产物并没有变化。 自然界里,这样的所谓“反应”实际上是不会发生的。 所以我们说,硫酸并不能氧化SO2气体。 4.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(硫酸亚硝酰NOHSO4)存在的资料可以猜测,吸收原理无非如下两个方面: 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。 常温下乙烯跟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: 第一步:乙烯通入浓硫酸中吸收,发生如下加成反应: CH2=CH2 + H-OSO3H(浓硫酸) → C2H5-OSO3H(硫酸氢乙酯) 第二步:硫酸氢乙酯水解得乙醇: C2H5-OSO3H + H-OH → C2H5-OH + H2SO4(稀硫酸) 然后通过蒸馏把乙醇分离。 此法第一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。 虽然乙烯气体可以用浓硫酸跟乙醇在170℃下作用制备,但由于常温下乙烯跟浓硫酸发生加成反应,不可用浓硫酸干燥乙烯气体。 5.为什么酸化高锰酸钾溶液总是用硫酸,而很少用盐酸、硝酸? MnO4-离子在酸性条件下具有很强的氧化性,很容易把盐酸中的Cl-氧化为氯气,当然不能用盐酸酸化KMnO4 溶液。 至于硝酸与硫酸,理论上都可以用来酸化KMnO4溶液,实践上一般不用硝酸,估计有如下原因: 一是硫酸相对便宜; 二是硝酸本身也具有强氧化性,当跟KMnO4反应的还原剂还原性较强时,可能把硝酸还原为氮的氧化物,造成环境污染; 三是有些氧化还原反应需要定量进行(比如氧化还原滴定),不允许出现KMnO4、HNO3同时发生还原反应的情况。 |
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