【種花家務·化學】2-2-04硫酸和硫酸鹽——『數(shù)理化自學叢書6677版』

2023-01-29 18:48 作者:山嵓 0人讀過 | 我要投稿

【閱前提示】本篇出自『數(shù)理化自學叢書6677版』，此版叢書是“數(shù)理化自學叢書編委會”于1963-1966年陸續(xù)出版，并于1977年正式再版的基礎自學教材，本系列叢書共包含17本，層次大致相當于如今的初高中水平，其最大特點就是可用于“自學”。當然由于本書是大半個世紀前的教材，很多概念已經(jīng)與如今迥異，因此不建議零基礎學生直接拿來自學。不過這套叢書卻很適合像我這樣已接受過基礎教育但卻很不扎實的學酥重新自修以查漏補缺。另外，黑字是教材原文，彩字是我寫的備注。

【山話嵓語】『數(shù)理化自學叢書』其實還有新版，即80年代的改開版，改開版內(nèi)容較新而且還又增添了25本大學基礎自學內(nèi)容，直接搞出了一套從初中到大學的一條龍數(shù)理化自學教材大系列。不過我依然選擇6677版，首先是因為6677版保留了很多古早知識，讓我終于搞明白了和老工程師交流時遇到的奇特專業(yè)術語和計算模式的來由。另外就是6677版的版權風險極小，即使出版社再版也只會再版80年代改開版。我認為6677版不失為一套不錯的自學教材，不該被埋沒在故紙堆中，是故才打算利用業(yè)余時間，將『數(shù)理化自學叢書6677版』上傳成文字版。??

第二章硫，氧族元素

§2-4硫酸和硫酸鹽

硫酸的性質

【01】在第一冊第五章里，我們對硫酸的性質已經(jīng)作了初步的介紹【山注，1-5-04第12~25段，傳送門CV20850981】。純硫酸是一種無色粘稠油狀液體，幾乎比水重一倍。它能夠以任何的比和水混和，同時產(chǎn)生大量的熱。硫酸是一種不揮發(fā)酸，打開盛貯硫酸的瓶蓋，不會冒“煙”，也聞不到什么氣味。它的沸點是338℃，比鹽酸、硝酸等都高得多。

【02】市售的濃硫酸通常濃度是98%，它的比重是1.84。

【03】下面我們比較詳細地來研究一下硫酸的化學性質。

【04】硫酸是一種典型的強酸，它具有酸的一切通性。例如，它能使藍色石蕊試紙變紅；能跟活潑金屬[即金屬活動順序表(第一冊，第233頁)【山注，1-5-04表5-2，傳送門CV20850981】里排在氫以前的金屬]發(fā)生置換反應，放出氫氣。例如，

$H_2SO_4%EF%BC%88%E7%A8%80%EF%BC%89%2BZn%3DH_2%E2%86%91%2BZnSO_4$

【山注，H_2SO_4（?。?Zn=H_2↑+ZnSO_4】

【05】金屬活動順序表里氫以后的金屬，是不能置換硫酸分子里的氫原子的，雖然其中有些金屬（例如銅）在一定條件下，也能溶解在濃硫酸里，但所發(fā)生的反應并不是置換反應，這個反應在下面還將詳細討論。

【06】硫酸也能跟堿性氧化物反應生成鹽（硫酸鹽）和水。例如，

$H_2SO_4%2BCuO%5Cmathop%7B%3D%5C!%3D%7D%5Climits%5E%7B%E5%8A%A0%E7%83%AD%7D%20%5Cmathop%7BCuSO_4%7D%5Climits_%7B%E7%A1%AB%E9%85%B8%E9%93%9C%7D%2BH_2O$

【山注，H_2SO_4+CuO\mathop{=\!=}\limits^{加熱} \mathop{CuSO_4}\limits_{硫酸銅}+H_2O】

【07】硫酸也能跟堿類發(fā)生中和反應。由于硫酸是二價酸，當所用堿的量不同時，它可以生成正鹽或酸式鹽。例如，

【08】1克分子硫酸跟2克分子氫氧化鈉反應時生成正鹽：

$H_2SO_4%2B2NaOH%3D%5Cmathop%7BNa_2SO_4%7D%5Climits_%7B%E7%A1%AB%E9%85%B8%E9%92%A0%7D%2B2H_2O$

【山注，H_2SO_4+2NaOH=\mathop{Na_2SO_4}\limits_{硫酸鈉}+2H_2O】

【09】1克分子硫酸跟1克分子氫氧化鈉反應時生成酸式鹽：

$H_2SO_4%2BNaOH%3D%5Cmathop%7BNaHSO_4%7D%5Climits_%7B%5Cmathop%7B%E9%85%B8%E5%BC%8F%E7%A1%AB%E9%85%B8%E9%92%A0%7D%5Climits_%7B%EF%BC%88%E7%A1%AB%E9%85%B8%E6%B0%A2%E9%92%A0%EF%BC%89%7D%7D%2BH_2O$

【山注，H_2SO_4+NaOH=\mathop{NaHSO_4}\limits_{\mathop{酸式硫酸鈉}\limits_{（硫酸氫鈉）}}+H_2O】

【很顯然，如果所用aOH超過2克分子，就只能生成正鹽；如果少于1克分子，就只能生成酸式鹽】

【10】最后，硫酸也能跟其他酸的鹽類發(fā)生復分解反應，生成新酸和新鹽。由于硫酸的不揮發(fā)性，這個反應廣泛地被用來制造其他酸類。例如，

$%5Cbegin%7Beqnarray%7DH_2SO_4%2BNaCl%5Cmathop%7B%3D%5C!%3D%7D%5Climits%5E%7B%E5%8A%A0%E7%83%AD%7DNaHSO_4%2BHCl%E2%86%91%5C%5CH_2SO_4%2BNaNO_3%5Cmathop%7B%3D%5C!%3D%7D%5Climits%5E%7B%E5%8A%A0%E7%83%AD%7DNaHSO_4%2BHNO_3%E2%86%91%5Cend%7Beqnarray%7D$

【山注，\begin{eqnarray}H_2SO_4+NaCl\mathop{=\!=}\limits^{加熱}NaHSO_4+HCl↑\\ H_2SO_4+NaNO_3\mathop{=\!=}\limits^{加熱}NaHSO_4+HNO_3↑\end{eqnarray}】

【11】硫酸除了具有上述這些酸的通性以外，濃硫酸還有許多特殊的性質，這些性質不僅和其他酸類不同，而且和稀硫酸也不相同，主要是：

1、濃硫酸具有很強的氧化性

【12】上面講到某些不活潑的金屬（例如銅）不能從稀硫酸里置換出氫，但當跟濃硫酸共熱時，卻能發(fā)生化學反應，使金屬溶解在濃硫酸里。但這個反應并不放出氫氣，它是由濃硫酸的強烈的氧化性而發(fā)生的。

【13】濃硫酸跟銅反應時，首先是濃硫酸把銅氧化成氧化銅，而自己則被還原成亞硫酸：

$H_2SO_4%EF%BC%88%E6%B5%93%EF%BC%89%2BCu%3DCuO%2BH_2SO_3$

【山注，H_2SO_4（濃）+Cu=CuO+H_2SO_3】

【14】我們知道，亞硫酸是極不穩(wěn)定的，生成后立刻分解成二氧化硫和水：

$H_2SO_3%3DSO_2%E2%86%91%2BH_2O$

【山注，H_2SO_3=SO_2↑+H_2O】

【15】另外，銅被氧化生成的氧化銅是一種堿性氧化物，它能跟多余的硫酸發(fā)生復分解反應，生成硫酸銅和水：

$CuO%2BH_2SO_4%3DCuSO_4%2BH_2O$

【山注，CuO+H_2SO_4=CuSO_4+H_2O】

【16】這樣，銅就溶解在濃硫酸里了【稀硫酸沒有氧化性，因此，稀硫酸和銅是沒有反應的】。

【17】把上面這些反應的化學方程式合并起來，就可看到濃硫酸跟銅反應總的化學方程式是：

$2H_2SO_4%2BCu%3DCuSO_4%2BSO_2%E2%86%91%2B2H_2O$

【山注，2H_2SO_4+Cu=CuSO_4+SO_2↑+2H_2O】

【18】把這個反應和活潑金屬（例如 $Zn$ ）跟稀硫酸發(fā)生的置換反應相比較，就可看出它們之間存在著本質的不同。前者反應的最后，雖然也生成金屬鹽類，但它放出的氣體不是氫氣而是二氧化硫，同時還有水生成。

【19】濃硫酸跟銅的反應是一個氧化-還原反應，在這個反應里，濃硫酸是氧化劑，它把銅氧化成氧化銅（后來又跟多余的硫酸反應生成硫酸銅和水）；銅是還原劑，它把硫酸還原成亞硫酸（隨即分解成二氧化硫和水）。

【20】由于濃硫酸具有強烈的氧化性，我們可以用鐵器來盛貯它。當鐵和濃硫酸接觸時，它的表面立刻被濃硫酸氧化成一種組成比較復雜的鐵的氧化物，這種鐵的氧化物不能溶解在濃硫酸里，它在金屬表面上形成一層非常致密的薄膜，保護住內(nèi)部金屬不再受酸的作用。金屬跟酸反應后，在表面上形成具有保護性的薄膜的作用，稱做金屬的“鈍化”（注意，鐵器不能用來盛貯稀硫酸，為什么？)。

【21】濃硫酸也能跟某些非金屬發(fā)生類似的氧化-還原反應。例如把木炭粉和濃硫酸放在試管里加熱時，木炭就被濃硫酸氧化成二氧化碳，同時，硫酸則被木炭還原成亞硫酸（隨即分解成二氧化硫和水)，總的反應是：

$C%2B2H_2SO_4%5Cmathop%7B%3D%5C!%3D%7D%5Climits%5E%7B%E5%8A%A0%E7%83%AD%7DCO_2%E2%86%91%2B2SO_2%E2%86%91%2B2H_2O$

【山注，C+2H_2SO_4\mathop{=\!=}\limits^{加熱}CO_2↑+2SO_2↑+2H_2O】

2、濃硫酸跟水的反應

【22】濃硫酸溶解于水時，會放出大量的熱。在第一冊§5·4里【山注，1-5-04第15段，傳送門CV20850981】，我們曾著重指出，在稀釋濃硫酸時，一定要把濃硫酸慢慢地沿著容器的壁注入水里，注入時還須不斷加以攪動；千萬不要把水注入濃硫酸里。否則，就可能會有硫酸飛濺出來，沾到皮膚或眼睛上，造成嚴重的傷害事故。

【23】濃硫酸溶解于水放出大量的熱這一事實，說明了濃硫酸的溶解過程，并不是一個簡單的物理過程，而是同時包含有硫酸跟水之間發(fā)生的化學反應，這種反應可以用下面的化學方程式表示：

$%5Cbegin%7Beqnarray%7DH_2SO_4%2BH_2O%3D%5Cmathop%7BH_2SO_4%C2%B7H_2O%7D%5Climits_%7B%E4%B8%80%E6%B0%B4%E5%90%88%E7%A1%AB%E9%85%B8%7D%EF%BC%88%E6%88%96H_4SO_5%EF%BC%89%5C%5CH_2SO_4%2B2H_2O%3D%5Cmathop%7BH_2SO_4%C2%B72H_2O%7D%5Climits_%7B%E4%BA%8C%E6%B0%B4%E5%90%88%E7%A1%AB%E9%85%B8%7D%EF%BC%88%E6%88%96H_6SO_6%EF%BC%89%5Cend%7Beqnarray%7D$

【山注，\begin{eqnarray}H_2SO_4+H_2O=\mathop{H_2SO_4·H_2O}\limits_{一水合硫酸}（或H_4SO_5）\\ H_2SO_4+2H_2O=\mathop{H_2SO_4·2H_2O}\limits_{二水合硫酸}（或H_6SO_6）\end{eqnarray}】

【24】這些反應發(fā)生時，都有大量的熱放出，這就是濃硫酸溶解時發(fā)熱的原因。反應后生成的化合物，叫做硫酸水合物，在硫酸溶液里，這些水合物都是實際存在著的。

【25】濃硫酸跟水的化合能力十分強烈，不跟硫酸起反應的氣體，在通過盛濃硫酸的洗氣瓶（圖2-10）后，其中含有的水蒸氣就被濃硫酸所吸收，因而使氣體變得干燥。

【26】濃硫酸也能吸收空氣里的水蒸氣，因此，濃硫酸常用在干燥器里。

【27】干燥器是一個有蓋的玻璃缸，在干燥器的下部裝有濃硫酸或其他干燥劑如無水氯化鈣等（圖2-11(a)），硫酸上面擱置一塊有許多圓孔的瓷制的隔板（圖2·11（b）)。要干燥的物質先放在坩堝或蒸發(fā)皿里，然后再把坩堝或蒸發(fā)皿放在隔板上，蓋緊缸蓋.玻璃缸里的空氣，因它所含的水蒸氣被濃硫酸所吸收而變得十分干燥，這樣，就能使坩堝或蒸發(fā)皿里的物質一直保持干燥。

3、濃硫酸對有機物的脫水作用

【28】有些有機化合物（例如纖維素、糖、淀粉等，在第四冊要詳細討論）是由碳、氫、氧三種元素組成的。這類有機化合物遇濃硫酸時，成分里的氫、氧兩元素按照水的組成（即按照2個原子氫和1個原子氧的比）被濃硫酸吸收掉。這種作用，叫做有機物的脫水作用。有機物經(jīng)脫水后就變成為炭（因為這時它成分里只剩下碳一種元素了)，我們稱這種作用為“碳化”。例如，在蔗糖（它的分子式是 $C_%7B12%7DH_%7B22%7DO_%7B11%7D$ ）里加入濃硫酸，不久，蔗糖被濃硫酸脫水而變成焦黑色的炭，反應的化學方程式是：

$C_%7B12%7DH_%7B22%7DO_%7B11%7D%5Cmathop%7B%3D%5C!%3D%7D%5Climits%5E%7B%E6%B5%93%E7%A1%AB%E9%85%B8%7D12C%2B11H_2O$

【山注，C_{12}H_{22}O_{11}\mathop{=\!=}\limits^{濃硫酸}12C+11H_2O】

【29】濃硫酸對有機物的脫水作用，還可以從下面的實驗清楚地觀察到。先用稀硫酸在普通的紙（它大部分是由纖維素組成的）上寫好字，然后在酒精燈火焰的上方（要隔開相當距離）慢慢烘干。這時，稀硫酸由于水分蒸發(fā)而逐漸濃縮，變成濃硫酸，紙上寫字的地方因碳化而變成焦黑，原來寫的字跡就清楚地顯現(xiàn)出來（圖2-12）。

【30】由于濃硫酸對有機物的強烈的脫水作用，如果皮膚上不慎沾著了濃硫酸，就會引起嚴重的燙傷。所以，應該盡快地用大量的水或稀的碳酸氫鈉 $NaHCO_3$ 溶液來沖洗。

【31】濃硫酸濺在衣服上，也會使織物碳化而變成許多小孔。有時在衣服上濺著了稀硫酸，當時并不察覺到，但當干了時，由于水分的蒸發(fā)，衣服上的硫酸變濃，也會產(chǎn)生許多小孔。因此在使用硫酸（即使是稀硫酸）時，必須十分小心。

硫酸的用途

【32】硫酸是基本化學工業(yè)中最重要的產(chǎn)品之一，它有著極為廣泛的用途。

【33】硫酸的各種用途，和它的性質是密切相聯(lián)系的。

【34】硫酸是工業(yè)用酸中最廉價的一種，它的酸性很強，但揮發(fā)性很小。利用硫酸跟金屬或金屬氧化物的反應，可以制造許多有實用價值的硫酸鹽。例如，硫酸銅、硫酸鋅、硫酸亞鐵等。

【35】在金屬加工和金屬制品進行電鍍以前，常用硫酸來清除金屬表面的氧化物。

【36】利用硫酸的不揮發(fā)性，可以從它制得許多其他的酸。例如§1-4講到用硫酸跟食鹽反應可以制得鹽酸【山注，2-1-04第12~21段，傳送門CV20935257】；§1-8講到用硫酸跟螢石（氟化鈣）反應可以制得氫氟酸【山注，2-1-08第14段，傳送門CV20964996】；§2-2講到用硫酸跟硫化亞鐵反應可以制得氫硫酸等【山注，2-2-02第16/17段，傳送門CV21470241】。

【37】硫酸是制造化學肥料的重要原料之一，它能夠使不溶性的天然磷灰石轉變成為容易被植物吸收的過磷酸鈣（一種重要的磷肥，詳見§5-10）；它還用來吸收氨 $NH_3$ 或跟氨水反應（詳見§5-2）以制造硫酸銨（一種重要的氮肥，商業(yè)上稱做“肥田粉”）。每年用在生產(chǎn)化學肥料上的硫酸，數(shù)量是十分巨大的。

【38】硫酸具有強烈的吸水性，在實驗室里和工業(yè)上常利用它來干燥氣體。在制造炸藥、賽璐路、染料等時，要用濃硫酸做脫水劑，吸去化學反應過程里生成的水，使反應順利地進行。

【39】濃硫酸具有強氧化性，它對有機物質有破壞作用，濃硫酸跟油類里的有機雜質反應后，生成不溶于油也不溶于硫酸的物質，因此，濃硫酸可以用來精煉石油和植物油。

【40】另外，在制糖、制革以及其他許多工業(yè)中，也都需要用到硫酸。

【41】硫酸的用途是這樣廣泛，因此，在基本化學工業(yè)中，它是居首要地位的。

硫酸鹽

【42】硫酸鹽除硫酸鋇、硫酸鉛外都能溶解于水（硫酸鈣和硫酸銀微溶于水，參看第一冊第五章附表1）【山注，1-5-08附表1，傳送門CV20862412】，硫酸鹽的用途很廣，下面我們介紹幾種重要的硫酸鹽的用途：

1、硫酸鈉

【43】商業(yè)上稱做芒硝，帶有10個分子的結晶水： $Na_2SO_4%C2%B710H_2O$ ，在醫(yī)藥上用作瀉藥。無水的硫酸鈉大量用在玻璃工業(yè)上。

2、硫酸鎂

【44】商業(yè)上稱做瀉鹽或苦鹽，帶有7個分子的結晶水： $MgSO_4%C2%B77H_2O$ ，主要也是在醫(yī)藥上用作瀉藥.

3、礬

【45】許多金屬如銅、鐵、鋅等的含有結晶水的硫酸鹽稱為礬：

【46】(1)膽礬 $CuSO_4%C2%B75H_2O$ ：是藍色晶體。農(nóng)業(yè)上用它來撲滅各種害蟲【用硫酸銅、生石灰和水配制成的波爾多液，可以防止棉花的葉斑病和葉跳蟲等】；木材在硫酸銅溶液里浸過后可以防止腐爛；在工業(yè)上用它提煉純銅、鍍銅以及制造各種銅的化合物。

【47】(2)綠礬 $FeSO_4%C2%B77H_2O$ ：是淡綠色結晶。在農(nóng)業(yè)上也用來撲滅害蟲【主要用來防治果園中的病蟲害】；它也用于木材防腐；在工業(yè)上用來制造藍黑墨水、普魯士藍（一種藍色顏料，用于制造油漆）等。

【48】(3)皓礬 $ZnSO_4%C2%B77H_2O$ ：是無色晶體.在工業(yè)上也用于木材防腐，制造白色顏料（例如鋅白即氧化鋅）等，在醫(yī)藥上用以配制眼藥水。

硫酸和硫酸鹽的檢驗法

【49】檢驗溶液里的硫酸或硫酸鹽，也要分兩步進行：第一步在溶液中加入氯化鋇（或硝酸鋇）溶液，如果溶液里有硫酸或硫酸鹽存在，立刻就會有白色的硫酸鋇沉淀產(chǎn)生。例如：

$%5Cbegin%7Beqnarray%7D%26%26H_2SO_4%2B%5Cmathop%7BBaCl_2%7D%5Climits_%7B%E6%B0%AF%E5%8C%96%E9%92%A1%7D%3D%5Cmathop%7BBaSO_4%E2%86%93%7D%5Climits_%7B%E7%A1%AB%E9%85%B8%E9%92%A1%7D%2B2HCl%5C%5C%26%26Na_2SO_4%2B%5Cmathop%7BBaCl_2%7D%5Climits_%7B%E6%B0%AF%E5%8C%96%E9%92%A1%7D%3D%5Cmathop%7BBaSO_4%E2%86%93%7D%5Climits_%7B%E7%A1%AB%E9%85%B8%E9%92%A1%7D%2B2NaCl%5Cend%7Beqnarray%7D$

【山注，\begin{eqnarray}&&H_2SO_4+\mathop{BaCl_2}\limits_{氯化鋇}=\mathop{BaSO_4↓}\limits_{硫酸鋇}+2HCl\\&&Na_2SO_4+\mathop{BaCl_2}\limits_{氯化鋇}=\mathop{BaSO_4↓}\limits_{硫酸鋇}+2NaCl\end{eqnarray}】

【50】但是，某些可溶性鹽類（例如碳酸鹽、亞硫酸鹽等）的溶液在加入氯化鋇溶液時，也會有白色沉淀（碳酸鋇、亞硫酸鋇）生成。例如：

$%5Cbegin%7Beqnarray%7D%26%26Na_2CO_3%2BBaCl_2%3DBaCO_3%E2%86%93%2B2NaCl%5C%5C%26%26Na_2SO_3%2BBaCl_2%3DBaSO_3%E2%86%93%2B2NaCl%5Cend%7Beqnarray%7D$

【山注，\begin{eqnarray}&&Na_2CO_3+BaCl_2=BaCO_3↓+2NaCl\\ &&Na_2SO_3+BaCl_2=BaSO_3↓+2NaCl\end{eqnarray}】

【51】因此，要確定溶液里存在著的是否硫酸鹽，還必須進行第二步檢驗。

【52】第二步檢驗是在生成沉淀的液體里加入稀鹽酸或稀硝酸。因為硫酸鋇不僅不溶于水，而且不溶于稀酸中，但碳酸鋇、亞硫酸鋇在加入稀酸時，白色沉淀立刻溶解：

$%5Cbegin%7Beqnarray%7DBaCO_3%2B2HCl%3DBaCl_2%2BCO_2%E2%86%91%2BH_2O%5C%5CBaSO_3%2B2HCl%3DBaCl_2%2BSO_2%E2%86%91%2BH_2O%5Cend%7Beqnarray%7D$

【山注，\begin{eqnarray}BaCO_3+2HCl=BaCl_2+CO_2↑+H_2O\\ BaSO_3+2HCl=BaCl_2+SO_2↑+H_2O\end{eqnarray}】

【53】因此，當加入稀酸后，如果白色沉淀不溶解，就能證明溶液里確實存在著硫酸鹽（如果被檢驗的物質是硫酸，那就只要進行第一步就可以了，因為在第一步反應中，本身就有稀酸的生成，所以不必再加進稀鹽酸或稀硝酸以試驗生成的沉淀是否溶解）。

習題2-4

1、從硫酸的分子式 $H_2SO_4$ 計算硫酸里各元素的百分組成。

2、怎樣檢定瓶中的硫酸是濃硫酸還是稀硫酸？

3、為什么只能用濃硫酸來制造鹽酸，而不能用鹽酸來制造硫酸？

4、把火柴梗在濃硫酸里浸過后取出，會有什么現(xiàn)象發(fā)生？試解釋之。

5、用同樣重量的鋅跟稀硫酸反應或跟稀鹽酸反應，如果所取兩種酸的重量相同，問生成的氫氣哪個比較多？不經(jīng)計算來回答這個問題。[提示，比較鋅跟硫酸，鋅跟鹽酸反應的化學方程式]

6、用兩種不同的方法來區(qū)別亞硫酸的溶液和稀硫酸的溶液。

7、為什么說濃硫酸跟銅的反應是一個氧化-還原反應？哪一種物質是氧化劑？哪一種物質是還原劑？

8、為么什【山注，此處筆誤，應為“為什么”】稀硫酸和銅不會發(fā)生反應？[提示，要從兩方面來回答這個問題：(1)銅在金屬活動順序表里的位置，(2)稀硫酸沒有氧化性]

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【種花家務·化學】2-2-04硫酸和硫酸鹽——『數(shù)理化自學叢書6677版』

硫酸的性質

硫酸的用途

硫酸鹽

硫酸和硫酸鹽的檢驗法

習題2-4