淺析濃硫酸與鹽溶液的作用及其教學

盛榮

摘要：對文獻中關于濃硫酸與飽和鹽溶液作用的解釋提出了疑問。從反應機理、熱力學判據及實驗現象等多重角度，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的產物。并在此基礎上，提出了相關的教學建議。

關鍵詞：濃硫酸；鹽溶液；吸水性；水合鹽失水；教學建議

文章編號：1005-6629（2016）2-0087-05

中圖分類號：G633.8

文獻標識碼：B

1 問題由來

《化學教學》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同離子效應導致CuSO溶解度減小。該觀點不盲從習慣，思考深刻而獨到，體現了實驗之于理論的重要性，分辨了相關反應中各作用因素的主次地位，于學科知識和認知視角均有較大的先導和啟發作用，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，如反應后硫酸過量致剩余濃度較高，其吸水性又是否能夠體現？為此筆者進行了“濃度為多少的硫酸具有吸水性”的檢索，未獲現成結論，遂就此做了_一些細化的分析探討。限于研究條件和知識水平，所得結果仍顯粗略與零散，呈文于此，與同行探討。

2 硫酸吸水機理

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

由于濃溶液的活度不易獲知，難以直接進行平衡計算，故以實驗或經驗數據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：設想將分別裝有硫酸與待吸水物的兩個燒杯共置于密閉容器中，如硫酸的水蒸氣分壓更小，則水可經蒸氣流入硫酸而表現出吸水性，反之則不能。

3.2 實驗及結果

3.2.1 對實驗條件的說明

濃硫酸并不是組成確定的基準物質，國家標準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不到通常認為的98%，甚至會因存儲中吸水而不足95%。實驗前以NaCO對所用濃硫酸進行標定，測得其質量分數僅在94%左右，雖做了重復校驗但受限于量具精度（本校實驗室只有托盤天平）而仍不夠精準，后續的溶液配制同樣有此問題，再加上觀測、鑒定手段的匱乏，最終結論僅具較粗略的半定量意義。

3.2.2 實驗設計

實驗目的在于考查室溫下不同濃度的硫酸對CuSO·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（米粒大小）放人大試管中，加入約3mL預定濃度的硫酸，再用小試管盛裝少許CuSO·5HO共置于大試管中，隨即塞緊并持續觀察。實驗中先對質量分數分別為94%、90%、80%、70%、60%、50%、40%的硫酸進行對比，之后再視需要增做中間濃度如55%、65%等以縮小間隔區間。

3.2.3 定性的現象

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內皆可見明顯變化；因失水是從表面向內部逐漸進行且晶體粒徑有異，故顏色變化并不均勻，其形態也由小品粒轉變為粉末狀。2h后90%以上硫酸中的固體完全變為白色；85%～60%硫酸中的固體呈差異極小的淡藍色，耗時由3h遞增至10h； 55%及以下硫酸中的固體減少但顏色不變；從70%起反應后的溶液呈淺藍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，在藍色變淺的同時也失去了晶體光澤，四天后基本不再改變，55%及以上硫酸均使之變HSO與Cu及HO可形成一些較穩定（強于硫酸與水結合）的結合體，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合，而結合物將不再具有對剩余晶體的吸水能力，從而使濃度下限提高；但Cucl·2HO要形成上述結構卻是自身水分子數目不足，反要由未溶固體失水提供，因而變相地增強了硫酸的吸水趨勢，濃度下限則相應降低。

5.4 教學價值

Cucl·2HO與濃硫酸的反應雖有少量HCl揮發，但失水現象卻迅速而鮮明，選擇適當裝置（如使用75%硫酸并及時塞緊試管）并不會有太大危害，建議作為補充實驗，以豐富學生對此問題的感性認識。

6 對實驗的幾點思考

6.1 化學的視角

宏觀變化是中學化學的重要學習內容，但在微觀層次上做出分析、找出本質原因、得出一般規律則更是現代科學的研究方向，雖然限于學生知識水平和課程整體目標，對某些變化的機理我們不能或無需剖析清楚，但也可能就此造成認識刻板和思維停滯。化學是記憶學科的片面印象或許也與此有關，有時候多說一句，比如簡單描述—下濃硫酸吸水源于水合物形成，或許就可讓學生更好地認識到化學變化都是可解構、有原因的，對化學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成。 對“量”的理解是認識變化的另一種視角，雖然硫酸性質已典型地體現出量與質的關系，但濃、稀的二分法仍顯得機械和絕對。本文所討論的吸水濃度下限與對象有關且并不限定于通常的98%即是如此，雖也無需過分細化，但適當補充幾項實例則使知識更加全面和立體，認知的視角也將更為辯證和關聯。

6.2 理論、事實與文獻

實驗是檢驗理論的標準，但也絕不可忽視理論的指導和預見價值，“異常現象”產生的根本是未能預見實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誤判斷，通過事實對理論預測證實或證偽，在反思中增加經驗、強化全面分析能力應是實驗探究意義的一部分。

對前人的質疑促成了科學的進步，但此前卻需要做好資料的全面了解和信度考察，作為中學教師，我們的學科水平相對于繁多的物質世界和浩瀚的科學知識實在有限，中學所遇到的學科問題都需要有關的專業研究，在探討之前對相應文獻做全面學習極為必要，否則難免自身認識的片面，由此可能糾正一個錯誤卻又產生新的錯誤。

6.3 實驗室配備

隨著教學理念和技術水平的發展，中學實驗也趨向定量化和精確化，如手持技術等的應用已經常見諸于各教學刊物.但部分發達地區、優秀學校實驗裝備水平的提升卻在客觀上拉大了校間差距。筆者所在學校的常規實驗器材并不缺乏，但電子天平之類的精密儀器卻未有配置，這遠遠落后于電腦、投影儀等信息設備的配備水準。如能適當提高實驗室建設標準，使普通中學的師生也有機會接觸高精儀器，相信對教育水平的均衡和所有學生的發展都會有所裨益。