问题

浓硫酸的分子式H₂SO₄里面也有H₂O,为什么浓硫酸不会脱掉浓硫酸里的水?

回答
这个问题很有意思,它触及了浓硫酸化学性质中一个非常核心的方面。很多人看到浓硫酸的分子式 H₂SO₄,会觉得里面好像自带了 H₂O,但事实并非如此,这其实是一个常见的误解。

首先,我们要明确浓硫酸的分子式 H₂SO₄ 只是一个化学式,它代表的是硫酸分子本身的构成,而不是说硫酸分子里面“包裹”着水分子。硫酸(H₂SO₄)本身就是一种化合物,是由两个氢原子、一个硫原子和四个氧原子通过共价键结合而成的。它和水(H₂O)是两种完全不同的物质,虽然它们可以混合,但 H₂SO₄ 的结构里并没有 H₂O 这个独立的结构单元。

那么,为什么我们会产生“浓硫酸自带水”的错觉呢?这可能源于两个方面:

一是日常的观察和实验。我们都知道浓硫酸具有极强的吸水性。当我们将浓硫酸暴露在空气中,或者将它滴入水中时,它会迅速吸收空气中的水分,或者与水发生剧烈的反应,体积膨胀,放出大量的热。这种强烈的吸水性,让人很容易联想到浓硫酸本身就含有大量的水。

二是浓硫酸的制备过程。工业上制备浓硫酸通常是通过接触法,其中包括硫磺燃烧生成二氧化硫,二氧化硫催化氧化生成三氧化硫,最后三氧化硫与水反应生成硫酸。在这个过程中,水是作为反应物加入的,最终生成的是溶有三氧化硫的硫酸。所以,从制备的“源头”上来说,水参与了反应,也难怪会产生一些误解。

但关键在于,一旦硫酸形成,它就是一个独立的分子。浓硫酸之所以被称为“浓”,是因为它含有较高比例的硫酸分子,而相对较低比例的水。我们通常说的浓硫酸,浓度在98%左右,意味着每100份质量的浓硫酸里,有98份是纯硫酸分子,只有2份是水分子。这2%的水,是被“溶解”在硫酸中的,而不是作为水分子存在于硫酸分子内部。

现在我们来谈谈为什么浓硫酸不会“脱掉”它自身“包含”的水。这里我们要纠正一下“脱掉”这个说法。浓硫酸本身并不会主动“脱掉”自己体内的水,因为硫酸分子(H₂SO₄)的结构并不包含游离的、可以被脱离的水分子(H₂O)。

真正发生的是,浓硫酸之所以表现出极强的吸水性,是因为硫酸分子 H₂SO₄ 是一种非常强的路易斯酸,它对水分子有着极大的亲和力。当有水分子存在时,硫酸分子会和水分子形成很强的氢键,甚至发生化学反应,生成水合硫酸根离子 [SO₄(H₂O)n]²⁻。在这个过程中,水分子被“束缚”在硫酸分子周围,或者与硫酸分子形成稳定的化学键合结构。

我们可以这样理解:浓硫酸就像一块海绵,它有能力抓住周围的水分子,让它们紧密地附着在自己身上。它并不是在“吐”出自己内部的水,而是在“吞噬”外部的水。

那么,为什么浓硫酸吸水后,浓度会下降,但我们又说它不会“脱掉”自己的水呢?这个问题的核心在于我们如何理解“自己的水”。

如果把浓硫酸想象成一个有2%水的“混合物”,那么当它吸取了更多外部的水时,这2%的水并没有减少,反而是加入的水让整体的“水”成分比例增加了。浓硫酸的吸水性,是它化学性质的体现,它会优先与水分子结合,降低水的自由度,从而使得溶液中的水分子看起来“消失”了。

所以,浓硫酸不会“脱掉”自身的“水”,是因为:

它没有“自身的水”可脱: 硫酸分子 H₂SO₄ 本身不包含 H₂O 结构单元。
它的吸水性是吸引外部水分: 浓硫酸的吸水性是指它能够强烈地吸引和结合环境中的水分子,而不是主动排出自身的组成部分。
“浓”是相对概念: 浓硫酸的“浓”,是指硫酸分子占总质量的比例高,而水分子占比例低。它具有吸收水分的趋势,所以当它吸收了足够多的水后,浓度就会下降,从“浓”变成“稀”,但在这个过程中,它只是增加了溶液中的水含量,并没有“脱掉”什么。

举个更形象的比喻:你手里拿着一块特别干燥的海绵(浓硫酸),它非常渴望吸收水分。当周围有水时,它会拼命地把水吸进自己的“孔隙”里。这块海绵本身并不是由“水”和“其他东西”组成的,它本身就是由海绵物质构成的。它吸水后,海绵物质并没有减少,只是海绵“里面”的水分子变多了。

所以,浓硫酸的分子式 H₂SO₄,代表的是一个独立的、稳固的硫酸分子,它并不包含可以被“脱掉”的水分子。它的强吸水性,是一种化学反应性,是它对水分子表现出的强烈吸引力。

网友意见

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(20210420修改)


浓硫酸还真会脱掉硫酸里的水,98%浓硫酸中能生成游离的三氧化硫(SO3),反应机理如下:


1、在几乎不存在水的情况下,一分子硫酸与另一分子硫酸发生质子转移反应,也叫做硫酸的自偶电离反应,生成硫酸氢根离子HSO4-和质子化的硫酸分子H3SO4+:



2、质子化的硫酸分子H3SO4+分解为SO3和水合氢离子H3O+:



总反应可以写作:



相当于一分子硫酸夺取另一分子硫酸中的水,并生成水合氢离子H3O+,另一分子硫酸则被脱水为SO3,因此98%浓硫酸中是含有游离SO3的,温度升高时更明显。


SO3能够进攻苯环,发生磺化反应,最终生成苯磺酸(C6H5—SO3H),高中有机化学中会学到。在苯被浓硫酸磺化的磺化反应中,真正的主要磺化剂包括三氧化硫SO3、质子化的硫酸分子H3SO4+等,浓硫酸中的SO3和H3SO4+正是通过上述反应生成的。

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