硫酸的氧化性探究

袁豐斌

摘要：目的：設計反應實驗的改進，減少污染，使學生更好的認識硫酸的強氧化性原理，培養學生的環保意識。方法：本實驗是通過一系列的實驗探究將確定一套比較合理的實驗方案。結果：改進后的實驗裝置操作簡便，環保性強。

關鍵詞：硫酸；氧化性；實驗改進；環保教育

中圖分類號：G633.8 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2014）12-0244-01

化學是一門以實驗為基礎的學科，在化學實驗中我們經常會遇到一些與教材或參考書中描述不盡相同的實驗現象；有時在實驗操作過程中還會聞到一股股的異味。是操作不規范，裝置不合理，還是教材上面所講的與事實不符？只要平時注意觀察和記錄，就會發現許多實驗疑點問題。為此我們通過實驗測定，對濃硫酸與銅的反應、濃硫酸與蔗糖的反應進行了改進和探究；對硫酸的氧化性原理做相關的解釋。

實驗儀器及藥品：酒精燈；燒杯；試管；鐵架臺；硬質玻璃管；濃硫酸；鐵絲；銅片；蔗糖；氫氧化鈉。

銅與濃硫酸反應裝置的改進。

實驗裝置如圖1所示。

實驗操作：試管a中加入幾毫升濃硫酸（濃硫酸量不宜太多，以免加熱沸騰后溶液沖出試管），具支試管b、c內分別加入紫色石蕊溶液、品紅溶液，試管d加入氫氧化鈉溶液，并滴入1～2滴酚酞溶液。按圖1裝置，將a試管用酒精燈加熱至硫酸沸騰，然后移開酒精燈，把2g銅片放入試管中，迅速將帶導管的膠塞套到試管口，用酒精燈再次加熱試管a片刻，觀察到：b中紫色石蕊溶液變紅色，c中紅色品紅溶液變無色，d試管紅色逐漸變淺。試管a內部溶液變藍色，試管底部有白色沉淀。停止加熱，待試管a冷卻后，將上層溶液傾倒，往白色固體中倒入少量水，振蕩，靜置可得藍色溶液——硫酸銅溶液。證實此白色沉淀為無水硫酸銅。

實驗分析：銅片與熱的濃硫酸反應產生氣體二氧化硫，分別進入試管b，c，d，試管b紫色石蕊試液變紅，表明二氧化硫氣體溶于水后生成亞硫酸顯酸性；試管c品紅溶液褪色，說明二氧化硫有漂白作用。最后用濃氫氧化鈉溶液吸收剩余的有毒氣體二氧化硫，以避免污染環境。從試管d中看出，滴有酚酞的氫氧化鈉溶液顏色逐漸變淺，說明尾氣可用氫氧化鈉溶液來吸收。而試管a溶液上層呈藍色現象明顯，試管底部出現白色沉淀，是因為銅片與98%的濃硫酸反應后，生成無水硫酸銅在試管底部析出。倒去上層溶液后剩余的固體加入水，振蕩、靜置后可得藍色溶液。此實驗改進后現象明顯，同時可證明二氧化硫的漂白性和遇水變亞硫酸的性質，實驗在封閉系統中進行，對環境無污染；且儀器簡單直觀，適宜于中學傳統教學課堂演示。

蔗糖與濃硫酸反應實驗及其改進。

改進實驗裝置圖：（如圖2所示）。

A.98%的濃硫酸和濕潤的蔗

B.浸有0.1%品紅試液的脫脂棉

C.浸有1%酸性高錳酸鉀的脫脂棉

D.浸有0.1%品紅試液的脫脂棉

E.澄清的石灰水

實驗方案及現象：按圖裝置組裝好儀器并檢查氣密性。稱取3g蔗糖用紙槽置于具有支管的試管底部。用膠頭滴管向蔗糖中逐滴滴水，直至蔗糖被水濕潤透徹再沿具有支管的試管壁注入約5ml的98%的濃硫酸。上下移動玻璃棒4～5次，使濃硫酸和蔗糖充分混合，可見混合物由白色變成褐色再變成黑色，然后黑色物質體積膨脹推動玻璃棒上升；B的顏色很快褪去；C的顏色逐漸褪去；D無明顯變化；E中有白色渾濁產生。

實驗說明：A中的混合物由白色變成褐色再變成黑色，是由于濃硫酸的脫水性：黑色物質體積膨脹，是由于濃硫酸的吸水性和強氧化性所致。濃硫酸和蔗糖的濕潤水發生強烈的水合作用放出大量的熱，放出的熱量使濃硫酸和蔗糖脫水炭化游離出來的部分碳進一步反應，生成的氣體使黑色物質體積增大；B褪色說明反應生成了具有漂白作用的二氧化硫。C顏色褪去說明二氧化硫具有還原性：D無變化、E中出現白色渾濁說明有二氧化碳生成。

注意事項：儀器裝置氣密性要好，不能漏氣。玻璃棒底端要預先燒制成圓環狀，以便上下抽動時使98%的濃硫酸和蔗糖混合充分；單孔橡皮塞的孔徑應與玻璃棒的外徑配套，且小孔要垂直，并在孔內涂上少量的凡士林，這樣就便于玻璃棒上下移動，同時可以防止氣體外泄；蔗糖的量以3g為宜用量過多過少都會影響實驗效果。

硫酸的氧化性原理：在H2SO4分子中，處于最高氧化態的中心硫原子是以sp3雜化軌道與各個氧原子成鍵的。由于中心原子d軌道與氧原子p軌道的能級相近，故硫原子與非羥基原子形成自氧至硫的pπ～dπ反饋鍵，從而使硫與非羥基氧原子間的鍵級為2，鍵長（142～143pm），則比硫原子與羥基氧原子之間的鍵長（152～155pm）要短些，具有雙鍵性質。由此看出，H2SO4的分子結構在沒有其他因素影響時還是比較穩定的（硫酸中尚存在分子內和分子間的氫鍵）。

濃硫酸中的S（Ⅵ）之所以有氧化性，是因為在濃硫酸中，硫酸濃度很大，含水極少，從而導致硫酸分子幾乎不能電離，基本上以H2SO4分子形式存在。前以述及，若無其他原因，H2SO4分子是比較穩定的。但是，由于H2SO4分子中的H+體積特別小（半徑特別小），所以其極化能力很強，它可以鉆進O2-中去，使SO42-的穩定性被破壞。如果陰離子的穩定性越容易被破壞，那么中心原子S（Ⅵ）的氧化性就越容易顯示出來，這就造成了整個酸分子的不穩定，有利于使它獲得電子，這就是濃H2SO4具有氧化性的原因。

endprint

摘要：目的：設計反應實驗的改進，減少污染，使學生更好的認識硫酸的強氧化性原理，培養學生的環保意識。方法：本實驗是通過一系列的實驗探究將確定一套比較合理的實驗方案。結果：改進后的實驗裝置操作簡便，環保性強。

關鍵詞：硫酸；氧化性；實驗改進；環保教育

中圖分類號：G633.8 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2014）12-0244-01

化學是一門以實驗為基礎的學科，在化學實驗中我們經常會遇到一些與教材或參考書中描述不盡相同的實驗現象；有時在實驗操作過程中還會聞到一股股的異味。是操作不規范，裝置不合理，還是教材上面所講的與事實不符？只要平時注意觀察和記錄，就會發現許多實驗疑點問題。為此我們通過實驗測定，對濃硫酸與銅的反應、濃硫酸與蔗糖的反應進行了改進和探究；對硫酸的氧化性原理做相關的解釋。

實驗儀器及藥品：酒精燈；燒杯；試管；鐵架臺；硬質玻璃管；濃硫酸；鐵絲；銅片；蔗糖；氫氧化鈉。

銅與濃硫酸反應裝置的改進。

實驗裝置如圖1所示。

實驗操作：試管a中加入幾毫升濃硫酸（濃硫酸量不宜太多，以免加熱沸騰后溶液沖出試管），具支試管b、c內分別加入紫色石蕊溶液、品紅溶液，試管d加入氫氧化鈉溶液，并滴入1～2滴酚酞溶液。按圖1裝置，將a試管用酒精燈加熱至硫酸沸騰，然后移開酒精燈，把2g銅片放入試管中，迅速將帶導管的膠塞套到試管口，用酒精燈再次加熱試管a片刻，觀察到：b中紫色石蕊溶液變紅色，c中紅色品紅溶液變無色，d試管紅色逐漸變淺。試管a內部溶液變藍色，試管底部有白色沉淀。停止加熱，待試管a冷卻后，將上層溶液傾倒，往白色固體中倒入少量水，振蕩，靜置可得藍色溶液——硫酸銅溶液。證實此白色沉淀為無水硫酸銅。

實驗分析：銅片與熱的濃硫酸反應產生氣體二氧化硫，分別進入試管b，c，d，試管b紫色石蕊試液變紅，表明二氧化硫氣體溶于水后生成亞硫酸顯酸性；試管c品紅溶液褪色，說明二氧化硫有漂白作用。最后用濃氫氧化鈉溶液吸收剩余的有毒氣體二氧化硫，以避免污染環境。從試管d中看出，滴有酚酞的氫氧化鈉溶液顏色逐漸變淺，說明尾氣可用氫氧化鈉溶液來吸收。而試管a溶液上層呈藍色現象明顯，試管底部出現白色沉淀，是因為銅片與98%的濃硫酸反應后，生成無水硫酸銅在試管底部析出。倒去上層溶液后剩余的固體加入水，振蕩、靜置后可得藍色溶液。此實驗改進后現象明顯，同時可證明二氧化硫的漂白性和遇水變亞硫酸的性質，實驗在封閉系統中進行，對環境無污染；且儀器簡單直觀，適宜于中學傳統教學課堂演示。

蔗糖與濃硫酸反應實驗及其改進。

改進實驗裝置圖：（如圖2所示）。

A.98%的濃硫酸和濕潤的蔗

B.浸有0.1%品紅試液的脫脂棉

C.浸有1%酸性高錳酸鉀的脫脂棉

D.浸有0.1%品紅試液的脫脂棉

E.澄清的石灰水

實驗方案及現象：按圖裝置組裝好儀器并檢查氣密性。稱取3g蔗糖用紙槽置于具有支管的試管底部。用膠頭滴管向蔗糖中逐滴滴水，直至蔗糖被水濕潤透徹再沿具有支管的試管壁注入約5ml的98%的濃硫酸。上下移動玻璃棒4～5次，使濃硫酸和蔗糖充分混合，可見混合物由白色變成褐色再變成黑色，然后黑色物質體積膨脹推動玻璃棒上升；B的顏色很快褪去；C的顏色逐漸褪去；D無明顯變化；E中有白色渾濁產生。

實驗說明：A中的混合物由白色變成褐色再變成黑色，是由于濃硫酸的脫水性：黑色物質體積膨脹，是由于濃硫酸的吸水性和強氧化性所致。濃硫酸和蔗糖的濕潤水發生強烈的水合作用放出大量的熱，放出的熱量使濃硫酸和蔗糖脫水炭化游離出來的部分碳進一步反應，生成的氣體使黑色物質體積增大；B褪色說明反應生成了具有漂白作用的二氧化硫。C顏色褪去說明二氧化硫具有還原性：D無變化、E中出現白色渾濁說明有二氧化碳生成。

注意事項：儀器裝置氣密性要好，不能漏氣。玻璃棒底端要預先燒制成圓環狀，以便上下抽動時使98%的濃硫酸和蔗糖混合充分；單孔橡皮塞的孔徑應與玻璃棒的外徑配套，且小孔要垂直，并在孔內涂上少量的凡士林，這樣就便于玻璃棒上下移動，同時可以防止氣體外泄；蔗糖的量以3g為宜用量過多過少都會影響實驗效果。

硫酸的氧化性原理：在H2SO4分子中，處于最高氧化態的中心硫原子是以sp3雜化軌道與各個氧原子成鍵的。由于中心原子d軌道與氧原子p軌道的能級相近，故硫原子與非羥基原子形成自氧至硫的pπ～dπ反饋鍵，從而使硫與非羥基氧原子間的鍵級為2，鍵長（142～143pm），則比硫原子與羥基氧原子之間的鍵長（152～155pm）要短些，具有雙鍵性質。由此看出，H2SO4的分子結構在沒有其他因素影響時還是比較穩定的（硫酸中尚存在分子內和分子間的氫鍵）。

濃硫酸中的S（Ⅵ）之所以有氧化性，是因為在濃硫酸中，硫酸濃度很大，含水極少，從而導致硫酸分子幾乎不能電離，基本上以H2SO4分子形式存在。前以述及，若無其他原因，H2SO4分子是比較穩定的。但是，由于H2SO4分子中的H+體積特別小（半徑特別小），所以其極化能力很強，它可以鉆進O2-中去，使SO42-的穩定性被破壞。如果陰離子的穩定性越容易被破壞，那么中心原子S（Ⅵ）的氧化性就越容易顯示出來，這就造成了整個酸分子的不穩定，有利于使它獲得電子，這就是濃H2SO4具有氧化性的原因。

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摘要：目的：設計反應實驗的改進，減少污染，使學生更好的認識硫酸的強氧化性原理，培養學生的環保意識。方法：本實驗是通過一系列的實驗探究將確定一套比較合理的實驗方案。結果：改進后的實驗裝置操作簡便，環保性強。

關鍵詞：硫酸；氧化性；實驗改進；環保教育

中圖分類號：G633.8 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2014）12-0244-01

化學是一門以實驗為基礎的學科，在化學實驗中我們經常會遇到一些與教材或參考書中描述不盡相同的實驗現象；有時在實驗操作過程中還會聞到一股股的異味。是操作不規范，裝置不合理，還是教材上面所講的與事實不符？只要平時注意觀察和記錄，就會發現許多實驗疑點問題。為此我們通過實驗測定，對濃硫酸與銅的反應、濃硫酸與蔗糖的反應進行了改進和探究；對硫酸的氧化性原理做相關的解釋。

實驗儀器及藥品：酒精燈；燒杯；試管；鐵架臺；硬質玻璃管；濃硫酸；鐵絲；銅片；蔗糖；氫氧化鈉。

銅與濃硫酸反應裝置的改進。

實驗裝置如圖1所示。

實驗操作：試管a中加入幾毫升濃硫酸（濃硫酸量不宜太多，以免加熱沸騰后溶液沖出試管），具支試管b、c內分別加入紫色石蕊溶液、品紅溶液，試管d加入氫氧化鈉溶液，并滴入1～2滴酚酞溶液。按圖1裝置，將a試管用酒精燈加熱至硫酸沸騰，然后移開酒精燈，把2g銅片放入試管中，迅速將帶導管的膠塞套到試管口，用酒精燈再次加熱試管a片刻，觀察到：b中紫色石蕊溶液變紅色，c中紅色品紅溶液變無色，d試管紅色逐漸變淺。試管a內部溶液變藍色，試管底部有白色沉淀。停止加熱，待試管a冷卻后，將上層溶液傾倒，往白色固體中倒入少量水，振蕩，靜置可得藍色溶液——硫酸銅溶液。證實此白色沉淀為無水硫酸銅。

實驗分析：銅片與熱的濃硫酸反應產生氣體二氧化硫，分別進入試管b，c，d，試管b紫色石蕊試液變紅，表明二氧化硫氣體溶于水后生成亞硫酸顯酸性；試管c品紅溶液褪色，說明二氧化硫有漂白作用。最后用濃氫氧化鈉溶液吸收剩余的有毒氣體二氧化硫，以避免污染環境。從試管d中看出，滴有酚酞的氫氧化鈉溶液顏色逐漸變淺，說明尾氣可用氫氧化鈉溶液來吸收。而試管a溶液上層呈藍色現象明顯，試管底部出現白色沉淀，是因為銅片與98%的濃硫酸反應后，生成無水硫酸銅在試管底部析出。倒去上層溶液后剩余的固體加入水，振蕩、靜置后可得藍色溶液。此實驗改進后現象明顯，同時可證明二氧化硫的漂白性和遇水變亞硫酸的性質，實驗在封閉系統中進行，對環境無污染；且儀器簡單直觀，適宜于中學傳統教學課堂演示。

蔗糖與濃硫酸反應實驗及其改進。

改進實驗裝置圖：（如圖2所示）。

A.98%的濃硫酸和濕潤的蔗

B.浸有0.1%品紅試液的脫脂棉

C.浸有1%酸性高錳酸鉀的脫脂棉

D.浸有0.1%品紅試液的脫脂棉

E.澄清的石灰水

實驗方案及現象：按圖裝置組裝好儀器并檢查氣密性。稱取3g蔗糖用紙槽置于具有支管的試管底部。用膠頭滴管向蔗糖中逐滴滴水，直至蔗糖被水濕潤透徹再沿具有支管的試管壁注入約5ml的98%的濃硫酸。上下移動玻璃棒4～5次，使濃硫酸和蔗糖充分混合，可見混合物由白色變成褐色再變成黑色，然后黑色物質體積膨脹推動玻璃棒上升；B的顏色很快褪去；C的顏色逐漸褪去；D無明顯變化；E中有白色渾濁產生。

實驗說明：A中的混合物由白色變成褐色再變成黑色，是由于濃硫酸的脫水性：黑色物質體積膨脹，是由于濃硫酸的吸水性和強氧化性所致。濃硫酸和蔗糖的濕潤水發生強烈的水合作用放出大量的熱，放出的熱量使濃硫酸和蔗糖脫水炭化游離出來的部分碳進一步反應，生成的氣體使黑色物質體積增大；B褪色說明反應生成了具有漂白作用的二氧化硫。C顏色褪去說明二氧化硫具有還原性：D無變化、E中出現白色渾濁說明有二氧化碳生成。

注意事項：儀器裝置氣密性要好，不能漏氣。玻璃棒底端要預先燒制成圓環狀，以便上下抽動時使98%的濃硫酸和蔗糖混合充分；單孔橡皮塞的孔徑應與玻璃棒的外徑配套，且小孔要垂直，并在孔內涂上少量的凡士林，這樣就便于玻璃棒上下移動，同時可以防止氣體外泄；蔗糖的量以3g為宜用量過多過少都會影響實驗效果。

硫酸的氧化性原理：在H2SO4分子中，處于最高氧化態的中心硫原子是以sp3雜化軌道與各個氧原子成鍵的。由于中心原子d軌道與氧原子p軌道的能級相近，故硫原子與非羥基原子形成自氧至硫的pπ～dπ反饋鍵，從而使硫與非羥基氧原子間的鍵級為2，鍵長（142～143pm），則比硫原子與羥基氧原子之間的鍵長（152～155pm）要短些，具有雙鍵性質。由此看出，H2SO4的分子結構在沒有其他因素影響時還是比較穩定的（硫酸中尚存在分子內和分子間的氫鍵）。

濃硫酸中的S（Ⅵ）之所以有氧化性，是因為在濃硫酸中，硫酸濃度很大，含水極少，從而導致硫酸分子幾乎不能電離，基本上以H2SO4分子形式存在。前以述及，若無其他原因，H2SO4分子是比較穩定的。但是，由于H2SO4分子中的H+體積特別小（半徑特別小），所以其極化能力很強，它可以鉆進O2-中去，使SO42-的穩定性被破壞。如果陰離子的穩定性越容易被破壞，那么中心原子S（Ⅵ）的氧化性就越容易顯示出來，這就造成了整個酸分子的不穩定，有利于使它獲得電子，這就是濃H2SO4具有氧化性的原因。

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