淺析濃硫酸與鹽溶液的作用及其教學(xué)

盛榮

摘要：對文獻(xiàn)中關(guān)于濃硫酸與飽和鹽溶液作用的解釋提出了疑問。從反應(yīng)機(jī)理、熱力學(xué)判據(jù)及實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象等多重角度，探討了不同濃度的硫酸對水合鹽的吸水作用，兼論了不同用量下濃硫酸與飽和鹽溶液反應(yīng)的產(chǎn)物。并在此基礎(chǔ)上，提出了相關(guān)的教學(xué)建議。

關(guān)鍵詞：濃硫酸；鹽溶液；吸水性；水合鹽失水；教學(xué)建議

文章編號：1005-6629（2016）2-0087-05

中圖分類號：G633.8

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

1 問題由來

《化學(xué)教學(xué)》2014年第12期刊載的“探析濃硫酸分別與飽和氯化鈉和飽和硫酸銅溶液的作用”一文（以下簡稱“原文”）指出濃硫酸與飽和鹽溶液混合后析出固體的主因并非是濃硫酸吸水，而分別是生成溶解度更小的NaSO·10HO及SO同離子效應(yīng)導(dǎo)致CuSO溶解度減小。該觀點(diǎn)不盲從習(xí)慣，思考深刻而獨(dú)到，體現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)之于理論的重要性，分辨了相關(guān)反應(yīng)中各作用因素的主次地位，于學(xué)科知識和認(rèn)知視角均有較大的先導(dǎo)和啟發(fā)作用，不過文中“濃硫酸加入飽和鹽溶液后，濃硫酸被稀釋，不再具有吸水性”的論述似乎過于偏頗，如反應(yīng)后硫酸過量致剩余濃度較高，其吸水性又是否能夠體現(xiàn)？為此筆者進(jìn)行了“濃度為多少的硫酸具有吸水性”的檢索，未獲現(xiàn)成結(jié)論，遂就此做了_一些細(xì)化的分析探討。限于研究條件和知識水平，所得結(jié)果仍顯粗略與零散，呈文于此，與同行探討。

2 硫酸吸水機(jī)理

硫酸吸水性源于其能與水形成一系列較為穩(wěn)定的水合物，硫酸分子結(jié)構(gòu)（圖1）為變形四面體，可通過分子間氫鍵相互聯(lián)接而形成層狀結(jié)

由于濃溶液的活度不易獲知，難以直接進(jìn)行平衡計(jì)算，故以實(shí)驗(yàn)或經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)一一硫酸飽和蒸氣中水的分壓（見表2）判斷吸水限度較為可行：設(shè)想將分別裝有硫酸與待吸水物的兩個(gè)燒杯共置于密閉容器中，如硫酸的水蒸氣分壓更小，則水可經(jīng)蒸氣流入硫酸而表現(xiàn)出吸水性，反之則不能。

3.2 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果

3.2.1 對實(shí)驗(yàn)條件的說明

濃硫酸并不是組成確定的基準(zhǔn)物質(zhì)，國家標(biāo)準(zhǔn)GB625-77對其中HSO含量的要求是95%～98%，這意味著市售的分析純濃硫酸很可能達(dá)不到通常認(rèn)為的98%，甚至?xí)虼鎯χ形蛔?5%。實(shí)驗(yàn)前以NaCO對所用濃硫酸進(jìn)行標(biāo)定，測得其質(zhì)量分?jǐn)?shù)僅在94%左右，雖做了重復(fù)校驗(yàn)但受限于量具精度（本校實(shí)驗(yàn)室只有托盤天平）而仍不夠精準(zhǔn)，后續(xù)的溶液配制同樣有此問題，再加上觀測、鑒定手段的匱乏，最終結(jié)論僅具較粗略的半定量意義。

3.2.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)?zāi)康脑谟诳疾槭覝叵虏煌瑵舛鹊牧蛩釋uSO·5HO的吸水行為，在條件上分為固、液接觸與不接觸兩種情形：取少許CuSO·5HO（米粒大?。┓湃舜笤嚬苤?，加入約3mL預(yù)定濃度的硫酸，再用小試管盛裝少許CuSO·5HO共置于大試管中，隨即塞緊并持續(xù)觀察。實(shí)驗(yàn)中先對質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為94%、90%、80%、70%、60%、50%、40%的硫酸進(jìn)行對比，之后再視需要增做中間濃度如55%、65%等以縮小間隔區(qū)間。

3.2.3 定性的現(xiàn)象

大試管中直接與硫酸接觸的CuSO·5HO失水較快，94%硫酸加入后表面顏色立即變淺，濃度越小變色越慢，但5min內(nèi)皆可見明顯變化；因失水是從表面向內(nèi)部逐漸進(jìn)行且晶體粒徑有異，故顏色變化并不均勻，其形態(tài)也由小品粒轉(zhuǎn)變?yōu)榉勰睢?h后90%以上硫酸中的固體完全變?yōu)榘咨?5%～60%硫酸中的固體呈差異極小的淡藍(lán)色，耗時(shí)由3h遞增至10h； 55%及以下硫酸中的固體減少但顏色不變；從70%起反應(yīng)后的溶液呈淺藍(lán)色并隨硫酸變稀而加深。

小試管中未與硫酸接觸的CuSO·5HO失水極為緩慢，在藍(lán)色變淺的同時(shí)也失去了晶體光澤，四天后基本不再改變，55%及以上硫酸均使之變HSO與Cu及HO可形成一些較穩(wěn)定（強(qiáng)于硫酸與水結(jié)合）的結(jié)合體，其鍵合方式可能如圖2所示。從組成上可看做CuSO·5HO整體與水合硫酸分子結(jié)合，而結(jié)合物將不再具有對剩余晶體的吸水能力，從而使?jié)舛认孪尢岣?；但Cucl·2HO要形成上述結(jié)構(gòu)卻是自身水分子數(shù)目不足，反要由未溶固體失水提供，因而變相地增強(qiáng)了硫酸的吸水趨勢，濃度下限則相應(yīng)降低。

5.4 教學(xué)價(jià)值

Cucl·2HO與濃硫酸的反應(yīng)雖有少量HCl揮發(fā)，但失水現(xiàn)象卻迅速而鮮明，選擇適當(dāng)裝置（如使用75%硫酸并及時(shí)塞緊試管）并不會有太大危害，建議作為補(bǔ)充實(shí)驗(yàn)，以豐富學(xué)生對此問題的感性認(rèn)識。

6 對實(shí)驗(yàn)的幾點(diǎn)思考

6.1 化學(xué)的視角

宏觀變化是中學(xué)化學(xué)的重要學(xué)習(xí)內(nèi)容，但在微觀層次上做出分析、找出本質(zhì)原因、得出一般規(guī)律則更是現(xiàn)代科學(xué)的研究方向，雖然限于學(xué)生知識水平和課程整體目標(biāo)，對某些變化的機(jī)理我們不能或無需剖析清楚，但也可能就此造成認(rèn)識刻板和思維停滯。化學(xué)是記憶學(xué)科的片面印象或許也與此有關(guān)，有時(shí)候多說一句，比如簡單描述—下濃硫酸吸水源于水合物形成，或許就可讓學(xué)生更好地認(rèn)識到化學(xué)變化都是可解構(gòu)、有原因的，對化學(xué)的研究視角就可多一分理解，而諸如變化觀、微粒觀等基本觀念也可得到滲透和養(yǎng)成。 對“量”的理解是認(rèn)識變化的另一種視角，雖然硫酸性質(zhì)已典型地體現(xiàn)出量與質(zhì)的關(guān)系，但濃、稀的二分法仍顯得機(jī)械和絕對。本文所討論的吸水濃度下限與對象有關(guān)且并不限定于通常的98%即是如此，雖也無需過分細(xì)化，但適當(dāng)補(bǔ)充幾項(xiàng)實(shí)例則使知識更加全面和立體，認(rèn)知的視角也將更為辯證和關(guān)聯(lián)。

6.2 理論、事實(shí)與文獻(xiàn)

實(shí)驗(yàn)是檢驗(yàn)理論的標(biāo)準(zhǔn)，但也絕不可忽視理論的指導(dǎo)和預(yù)見價(jià)值，“異?，F(xiàn)象”產(chǎn)生的根本是未能預(yù)見實(shí)際體系中的所有作用因素、未能分辨出其中的主要矛盾而做出錯(cuò)誤判斷，通過事實(shí)對理論預(yù)測證實(shí)或證偽，在反思中增加經(jīng)驗(yàn)、強(qiáng)化全面分析能力應(yīng)是實(shí)驗(yàn)探究意義的一部分。

對前人的質(zhì)疑促成了科學(xué)的進(jìn)步，但此前卻需要做好資料的全面了解和信度考察，作為中學(xué)教師，我們的學(xué)科水平相對于繁多的物質(zhì)世界和浩瀚的科學(xué)知識實(shí)在有限，中學(xué)所遇到的學(xué)科問題都需要有關(guān)的專業(yè)研究，在探討之前對相應(yīng)文獻(xiàn)做全面學(xué)習(xí)極為必要，否則難免自身認(rèn)識的片面，由此可能糾正一個(gè)錯(cuò)誤卻又產(chǎn)生新的錯(cuò)誤。

6.3 實(shí)驗(yàn)室配備

隨著教學(xué)理念和技術(shù)水平的發(fā)展，中學(xué)實(shí)驗(yàn)也趨向定量化和精確化，如手持技術(shù)等的應(yīng)用已經(jīng)常見諸于各教學(xué)刊物.但部分發(fā)達(dá)地區(qū)、優(yōu)秀學(xué)校實(shí)驗(yàn)裝備水平的提升卻在客觀上拉大了校間差距。筆者所在學(xué)校的常規(guī)實(shí)驗(yàn)器材并不缺乏，但電子天平之類的精密儀器卻未有配置，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于電腦、投影儀等信息設(shè)備的配備水準(zhǔn)。如能適當(dāng)提高實(shí)驗(yàn)室建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，使普通中學(xué)的師生也有機(jī)會接觸高精儀器，相信對教育水平的均衡和所有學(xué)生的發(fā)展都會有所裨益。