硫酸銅晶體失水問題

2021-01-16 化學教與學

高中化學講解濃硫酸時,我們會涉及到濃硫酸的吸水性和脫水性,這個問題對學生來講一直是一種困惑性的問題,在此,我將濃硫酸的吸水性和脫水性列出來以供參考。

濃硫酸具有吸水性,是由於它能跟水結合生成不同組成的水合物,同時放出熱。硫酸的水合物有H2SO4·H2O、H2SO4·2H2O、H2SO4·4H2O等,當降低硫酸溶液的溫度時,這些水合物便以晶體形式析出。稀釋濃硫酸時會放出大量的熱,正是由於硫酸跟水結合形成水合物時放出的熱量多於它的分子擴散時所吸收的熱量之故。 

濃硫酸的脫水性是指濃硫酸能使蔗糖、澱粉、纖維素等物質失水碳化,並不是因為濃硫酸吸取了有機物內部所含有的水分(結晶水),而是把組成有機物成分裡的氫、氧元素的原子按2:1的比率(水的組成比)從有機物裡奪取出來,形成硫酸的水合物,同時剩下有機物組成中的碳。對濃硫酸來說,它起了脫水作用,對有機物來說,則發生了碳化現象。

中學化學教學中常以「吸水現成的水,發生的是物理變化」作為濃硫酸的吸水性的依據,而「脫水,發生的是化學變化」作為濃硫酸吸水性的依據。此描述有一定的局限性,例如濃硫酸使硫酸銅晶體失去水,發生的是化學變化,而濃硫酸吸收的是水分子。這體現了濃硫酸的吸水性還是脫水性呢?

從結構來看,不能認為氫鍵先斷,從存在的作用力數量來看,銅離子上的其中兩個水分子只存在一個配位鍵,另兩個水分子除存在一個配位鍵外還存在一個氫鍵,與硫酸根離子結合的水分子則存在四個氫鍵。而在晶體內他們的鍵長應比較相近,作用力大小應不會相差太大,故先失水的應是只形成配位鍵的兩個水分子(編號①和②),然後再失去兩個水分子(編號③和④),最後失去一個水分子(編號⑤)。

結論:濃硫酸使硫酸銅晶體失去水體現的是濃硫酸的吸水性,即濃硫酸的吸水性既可以發生物理變化,又可以發生化學變化。吸水性,可通過非接觸的方式發揮作用,例如通過下面的實驗:在一試管中加入少量濃硫酸,上面放一層有孔的隔板,隔板上放硫酸銅晶體,然後密封試管,放置一段時間發現硫酸銅晶體由藍色變成白色。


參考資料:

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