硫酸是每一个化学实验室必备的药品,一个即使对化学一无所知的人,也绝不会不知道有硫酸这种危险的东西。在大众脑海里,硫酸简直就是化学的代名词!
确实,即使在实验室里,专业的化学工作者面对硫酸也需要小心谨慎。它的腐蚀能力超强,日常生活中的物品没有几样是它不能腐蚀掉的。不小心将浓硫酸滴在衣服上,瞬间就会破洞;食物放到浓硫酸里会冒泡,最后剩下一坨黑乎乎的碳;除了聚四氟乙烯、高密度聚乙烯之外的大部分塑料碰到硫酸也会融化掉;金属就更不在稀硫酸的话下了;而如果金属碰到浓硫酸,则根本不是发生置换反应,而是被直接氧化掉,释放出刺鼻的二氧化硫气体。
一般把70%浓度以上的硫酸叫做浓硫酸,最常用的浓硫酸浓度为98%,这是一种很重的油状液体,密度是水的1.倍。因此任何一本化学教材都告诉学生:只能把浓硫酸缓缓倒入水中,而不能反过来,否则水将在浓硫酸的表面表演激情似火的舞蹈。
浓硫酸中的水分很少,因此硫酸在其中难以电离成水合氢离子,这时候硫酸主要表现出它的强氧化性、吸水性和脱水性能。
初中化学课本上的金属活动性顺序表这样排列:钾钙钠镁铝锌铁锡铅氢铜汞银铂金,并告诉我们排在氢之后的金属是不活泼金属,不能和酸发生置换反应。对于浓硫酸来说,铜也好,水银也好,都是小菜一碟,统统氧化。
把浓硫酸敞开放置,逐渐瓶内的硫酸变多,也变得更稀了。这是因为饥渴的浓硫酸具有超强的吸水性,它随时随地搜寻水分子。这个性能让它经常在实验室用来干燥气体,要注意的是,硫酸毕竟是有酸性和氧化性的,不能用来干燥氨气等碱性气体,也不能用来干燥硫化氢、溴化氢等还原性气体。
可以做这样的经典实验:白糖变黑雪,将浓硫酸倒入白花花的糖中,立刻一阵烟雾冒出,然后就剩下一坨黑色的残渣。碳水化合物中的碳留下,氢和氧都被浓硫酸当做水夺过去了。衣物之所以碰到浓硫酸被烧个洞,也是类似的道理,织物中的主要成分是纤维素,也是一种碳水化合物;纸张也是一样,主要成分是木纤维,还是碳水化合物。
胆矾中的结晶水也会被浓硫酸“脱”出来,变成白色的无水硫酸铜。
这里需要注释一下,吸水和脱水是不一样的,吸水指的是吸收游离的水分子,是物理反应;而脱水是将化合物中的氧和氢按照水的比例脱离出来,是化学反应。结晶水合物是被硫酸“脱水”,这个反应也是化学反应。咬文嚼字的高考命题者会出这样生僻的题目,高中同学们不要弄错哦。
看似浓硫酸非常暴虐,但是当它碰到一些活泼金属,比如铁、铝的时候,又变得“暖男”起来。它的强氧化性会让金属表面迅速生成一层保护性的氧化膜,阻止了进一步的氧化,所以浓硫酸可以用于金属的化学钝化。
脑补一下,浓硫酸“暖暖”的对铁、铝说:“对你凶,是爱护你;稀硫酸对你是温水煮青蛙。”
在网上有这么个段子:“德国产的钢铁在浓硫酸中也不会腐蚀,而中国产的钢铁在稀硫酸中就冒泡了。”现在你应该能懂得里面的笑点了吧?
据说早在多年前,苏美尔人就发现硫酸了,之后的古希腊医生迪奥斯科里基斯和古罗马自然学家普林尼都在他们的著作中提到了硫酸,古希腊名医伽林甚至用硫酸来给病人治病。进入中世纪以后,拜占庭统治下的希腊人开始用硫酸来冶炼金属,硫酸也成为炼金术士们的必备“良药”。这些故事都被记录在埃及古墓出土的著名的“莱顿”纸莎草书里,但都没有制取硫酸的具体配方。
阿拉伯的老熟人吉伯也经常玩转硫酸,由于他制取硫酸的方法被记录下来,他被公认为硫酸的发现者。他同时代的阿拉伯炼金术士还尝试用硫酸来治病。(真不知道治的是哪门子的病)
在中世纪及以前,人们是用加热绿矾(硫酸亚铁)的方法来制取硫酸。我们中国的老祖先也掌握了这种方法,并把硫酸叫做“绿矾油”。到了17世纪,德国化学家格劳伯发现可以用加热硝酸钾和硫磺的方法得到三氧化硫,溶于水以后就得到了硫酸。年,英国伦敦的沃德用这种方法开办了第一家硫酸工厂。
10年后,英国药剂师罗巴克嫌这种方法成本太高,而且只能在玻璃器皿里生产,他发明了更廉价、可以工业化规模生产的方法:铅室法。这种方法可以得到65%的硫酸,后经盖吕萨克改进可以得到78%的产品。如果你需要更高的浓度,则只有继续干馏。
年,英国人菲利普斯发明了接触法制硫酸:先煅烧黄铁矿(二硫化亚铁),得到的二氧化硫在五氧化二钒的催化作用下被氧气氧化,得到三氧化硫,用98.3%浓硫酸吸收三氧化硫得到焦硫酸,最后再加入适量的水得到需要浓度的硫酸。也可以用硫代替黄铁矿,这种方法一直沿用至今,全世界所有的硫酸工厂使用的都是这种方法。
下一章我们就看看硫酸都是怎样参与到化工生产的每一个角落,帮助我们制造出各种材料的。
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