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硫酸在中學化學中的應用

硫酸在中學化學中的應用

硫酸(H2SO4)是硫的最重要的含氧酸。純硫酸為無色粘稠狀液體，質量分數98.3%的純濃硫酸，密度為1.84g/cm³，沸點338℃，熔點10.35℃，有強腐蝕性，有刺激性氣味，能與水以任意比例互溶，生成稀硫酸。同時放出大量的熱，使水沸騰。

硫酸是一種反應性極強的二元無機強酸，能和許多金屬發生反應。高濃度的硫酸有強烈的吸水性，可用作脫水劑，碳化木材、紙張、棉麻織物及生物皮肉等含碳水化合物的物質。是一種重要的工業原料，可用于制造肥料、藥物、炸藥、顔料、洗滌劑、蓄電池等，也廣泛應用于淨化石油、金屬冶煉以及染料等工業中。

在中學化學中有廣泛的應用，常用作化學試劑，是制取氣體、某些酸或某些鹽的重要試劑，某些有機反應的催化劑，實驗室常用的幹燥劑、酸化劑、強氧化劑等。為幫助同學們系統地了解硫酸的這些知識，本文特将它們歸納整理如下：

硫酸在中學化學中的應用

一、制取氣體

1．制H2

利用硫酸的酸性或H+離子的氧化性：

Zn＋H2SO4(稀)=ZnSO4＋H2↑

Fe＋H2SO4(稀)=FeSO4＋H2↑

2．制SO2

① 利用硫酸的酸性：

Na2SO3＋H2SO4(中等濃度)=Na2SO4＋SO2↑＋H2O

② 利用硫酸的強氧化性和酸性：

Cu＋2H2SO4(濃)=(△)CuSO4＋SO2↑＋2H2O

3．制H2S

利用硫酸的強酸性：

FeS+H2SO4(稀)=FeSO4＋H2S↑

4．制HCl

① 利用硫酸的難揮發性：

NaCl(固)＋H2SO4(濃)=(微熱)NaHSO4＋HCl↑

NaHSO4＋NaCl(固)=(強熱)Na2SO4＋HCl↑

② 利用濃硫酸的吸水性：

利用濃鹽酸與濃硫酸也可以制氯化氫氣體。

5．制HF

利用硫酸的強酸性和難揮發性或高沸點酸：

CaF2+H2SO4(濃)=(△)CaSO4＋2HF↑

6．制C2H4

利用硫酸的催化劑作用和脫水性：

CH3CH2OH=(濃H2SO4170℃)

CH2＝CH2↑＋H2O

7．制CO

利用硫酸的脫水性：

HCOOH=(濃H2SO4△)CO↑＋H2O

硫酸在中學化學中的應用

二、制取某些酸或某些鹽

1．制H3PO4

利用硫酸的強酸性：

Ca3(PO4)2＋3H2SO4(濃)=(△)2H3PO4＋3CaSO4

2．制HNO3

利用硫酸的難揮發性或高沸點酸：

NaNO3(固)＋H2SO4(濃)=(微熱)NaHSO4

＋HNO3↑

KNO3+H2SO4→KHSO4+HNO3

3．制磷肥

利用硫酸的強酸性：

Ca3(PO4)2＋2H2SO4(濃)=(△)

Ca(H2PO4)2＋2CaSO4

Ca3(PO4)2＋3H2SO4(濃)=(△)

2Ca(H2PO4)2＋3CaSO4

4．制氮肥

利用硫酸的強酸性：

2NH3+H2SO4=(NH4)2SO4

5 制各種硫酸鹽

主要利用硫酸的酸性：生産綠礬、膽礬、硫酸鋁、硫酸鋅、硫酸鎂等産品。

Fe+H2SO4=FeSO4

FeSO4＋7H2O=FeSO4•7H2O

CuO+H2SO4=CuSO4＋H2O

CuSO4＋5H2O=CuSO4•5H2O

硫酸在中學化學中的應用

三、制取某些有機物

1．制硝基苯

濃硫酸的催化劑和脫水劑的作用：

C6H6(苯)＋HNO3(濃)→(濃H2SO4△)

C6H5-NO2(硝基甲苯)＋H2O

2．制TNT

濃硫酸起催化劑和脫水劑作用：

C6H5-CH3(甲苯)＋3HNO3→

(濃H2SO4△)C6H2-CH3(NO2)3

(三硝基甲苯)＋3H2O

3．制苯磺酸

濃硫酸作磺化劑：

C6H6＋H2SO4(濃)→C6H5-SO3H＋H2O

4．制乙酸乙酯

濃硫酸起催化劑和吸水劑作用 ：

CH3COOH＋CH3CH2OH→

(濃H2SO4△)CH3COOCH2CH3＋H2O

5．制葡萄糖

① 濃硫酸起催化劑和溶劑作用：

(C6H10O5)n(纖維素)＋nH2O→

(濃H2SO4△)nC6H12O6(葡萄糖)

② 稀硫酸作催化劑：

(C6H10O5)n(澱粉)＋nH2O→

(稀H2SO4△)nC6H12O6(葡萄糖)

6．制硝酸纖維

濃硫酸起催化劑和脫水劑作用：

[C6H7O2(OH)3]n＋3nHNO3→

(濃H2SO4△)[C6H7O2(ONO2)3]n＋3nH2O

7．酯水解(稀硫酸作催化劑)：

CH3COOCH2CH3＋H2O→(稀H2SO4△)

CH3COOH＋C2H5OH

⒏ 油脂水解

稀硫酸作催化劑：

油脂+H2O→(稀H2SO4△)甘油+高級脂肪酸

⒐ 糖類水解

稀硫酸作催化劑：

C12H22O11(蔗糖)＋H2O→(稀H2SO4△

)C6H12O6(果糖)＋C6H12O6(葡萄糖)

C12H22O11(麥芽糖)＋H2O→

(稀H2SO4△)2C6H12O6(葡萄糖)

10．乙烯水化

稀硫酸作催化劑：

CH2=CH2+H2O→(稀H2SO4△)C2H5OH

硫酸在中學化學中的應用

四、在其他方面的應用

1．稀硫酸作酸化劑：

KMnO4溶液中加入一定量稀H2SO4酸化，增強其氧化性。

2KMnO4+10FeSO4+8H2SO4=2MnSO4+K2SO4+5Fe2(SO4)3+8H2O

2．稀硫酸作檢驗劑：

稀硫酸是直接檢驗溶液中的Ba2+的試劑，生成BaSO4白色沉澱，不要再加酸。

SO42-＋Ba2+=BaSO4↓

3．稀硫酸作除雜劑：

根據濃硫酸可以與不飽和烯烴、醇、醚等反應，生成能溶于酸層而便于分離和水洗的物質的特性，常用濃硫酸作除雜劑，除去有機物中少量烯烴、醇等雜質。如正已烷中含有少量已烯或乙醇時，可以用硫酸洗滌除去。

4．稀硫酸作除鏽劑：

利用稀硫酸的酸性，可除去鐵制品表面上的鐵鏽。

3H2SO4(稀)+Fe2O3·nH2O=

Fe2(SO4)3+(3+n)H2O

5．稀硫酸的導電作用：

在電解水時常加入稀硫酸是增強溶液的導電性。

6．濃硫酸作幹燥劑：

利用濃硫酸的吸水性，吸收遊離态水，常用于幹燥中性氣體和酸性氣體。如H2、CO、NO、CH4、CO2、SO2、Cl2、HCl等。但不能幹燥堿性氣體NH3和常溫下具有還原性的氣體HBr、HI、H2S。

7．濃硫酸作強氧化劑：

濃硫酸是氧化性酸，可以氧化大多數金屬(除Au和Pt外)和其它還原性物質，濃硫酸一般還原為SO2。如：

(1)與金屬反應

① 常溫下濃硫酸能使鐵、鋁等金屬鈍化。

② 加熱時，濃硫酸可以與除金、鉑之外的所有金屬反應，生成高價金屬硫酸鹽，本身一般被還原成二氧化硫。

Cu+2H2SO4(濃)=CuSO4+SO2↑+

2H2O

2Fe+6H2SO4(濃)=Fe2(SO4)3+3SO2↑+6H2O

在上述反應中，硫酸表現出了強氧化性和酸性。

Fe和Al在H2SO4(冷、濃)或濃硝酸中鈍化。加熱時發生氧化還原反應：

2Fe＋6H2SO4(濃)=Fe2(SO4)3＋3SO2↑＋6H2O

2Al＋6H2SO4(濃)=Al2(SO4)3＋3SO2↑＋6H2O

(2)與非金屬反應

熱的濃硫酸可将碳、硫、磷等非金屬單質氧化到其高價态的氧化物或含氧酸，本身被還原為二氧化硫。在這類反應中，濃硫酸隻表現出氧化性。

C+2H2SO4(濃)=CO2↑+2SO2↑+2H2O

S+H2SO4(濃)=3SO2↑+2H2O

2P+5H2SO4(濃)=2H3PO4+5SO2↑

+2H2O

(3)與其他還原性物質反應

濃硫酸具有強氧化性，實驗室制取硫化氫、溴化氫、碘化氫等還原性氣體不能選用濃硫酸。

H2SO4(濃)+H2S=SO2↑+S↓+2H2O

H2SO4(濃)+2HBr=SO2↑+Br2+2H2O

2HI+H2SO4(濃)=I2↓+SO2↑+2H2O

2H2SO4(濃)+2FeSO4=Fe2(SO4)3+SO2↑+2H2O

8．濃硫酸的吸水作用：

① 濃硫酸能以任意比與水混溶。濃硫酸溶解時放出大量的熱，因此濃硫酸稀釋時應該“酸入水，沿器壁，慢慢倒，不斷攪。”

② 将一瓶濃硫酸敞口放置在空氣中，其質量将增加，密度将減小，濃度降低，體積變大，這是因為濃硫酸具有吸水性。

H2SO4+nH2O=H2SO4·nH2O

③ 濃硫酸不僅能吸收一般的遊離态水(如空氣中的水)，而且還能吸收某些結晶水合物(如CuSO4·5H2O；Na2CO3·10H2O)中的水。

9．濃硫酸的脫水性：

脫水指濃硫酸脫去非遊離态水分子或按照水的氫氧原子組成比脫去有機物中氫氧元素的過程。物質被濃硫酸脫水的過程是化學變化，反應時，濃硫酸按水分子中氫氧原數的比(2:1)奪取被脫水物中的氫原子和氧原子或脫去非遊離态的結晶水，如五水硫酸銅(CuSO4·5H2O)。可被濃硫酸脫水的物質一般為含氫、氧元素的有機物，其中蔗糖、木屑、紙屑和棉花等物質中的有機物，被脫水後生成了黑色的炭，這種過程稱作炭化。

一個典型的炭化現象是蔗糖的黑面包反應。在200mL燒杯中放入20g蔗糖，加入幾滴水，水加适量，攪拌均勻。然後再加入15mL質量分數為98%的濃硫酸，迅速攪拌。觀察實驗現象。可以看到蔗糖逐漸變黑，體積膨脹，形成疏松多孔的海綿狀的炭，反應放熱，還能聞到刺激性氣體。

C12H22O11=(H2SO4濃)12C+11H2O

同時進行碳與濃硫酸反應:

C+2H2SO4(濃)=CO2↑+2SO2↑+2H2O

10．濃硫酸作吸收劑：工業上接觸法制取硫酸，為了防止形成酸霧，用98.3%的濃硫酸吸收SO3。

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