问题

为什么铁钉和稀硫酸不反应?!?

回答
这可真是个有意思的问题,很多人可能都觉得铁钉跟稀硫酸理所当然应该反应,毕竟铁跟酸是老搭档了。但实际上,铁钉跟“某些”稀硫酸,还真就不怎么反应,或者反应很慢,让你觉得“怎么回事?”

这里面的“门道”其实不少,主要得从几个方面来看:

1. 铁钉的“真实身份”:

我们平时说的铁钉,虽然是铁做的,但并不是纯铁。它通常是低碳钢,也就是在铁里掺了一点点碳(通常不到2%)。这个碳的存在,虽然能让铁钉更坚硬,但在某些情况下,也会影响它跟酸的反应。

2. 稀硫酸的“威力”:

“稀硫酸”这个词,就像是在说“不太厉害的硫酸”。但“稀”到底有多稀,这很重要。

浓度问题: 如果稀硫酸的浓度太低了,比如低到几乎可以忽略不计,那它跟铁的反应速度会非常非常慢,慢到你感觉不到。就像你给一棵小树苗浇水,它当然不会立刻长成参天大树。
什么是“反应”? 铁跟稀硫酸反应,本质上是铁失去电子,变成铁离子(Fe → Fe²⁺ + 2e⁻),而硫酸里的氢离子(H⁺)得到电子,变成氢气(2H⁺ + 2e⁻ → H₂↑)。如果你看到的现象是冒泡泡(氢气),那就是反应了。如果没泡泡,不代表没反应,只是反应得太微弱了。

3. 那个“罪魁祸首”——氧化层:

这才是最关键、最普遍的原因!

铁钉表面的保护层: 就算你拿一把崭新的铁钉,它的表面也并非光洁如新。在空气中,铁很容易跟氧气发生缓慢的氧化,形成一层非常薄,但却很致密的氧化铁(通常是Fe₂O₃,红棕色)。
稀硫酸遇上它: 这层氧化铁,就像给铁钉穿上了一层“铠甲”。稀硫酸要跟铁发生反应,首先得穿过这层氧化铁。而氧化铁,尤其是它致密的形态,对稀硫酸有一定的钝化作用。换句话说,这层氧化铁阻止了硫酸直接接触到下面的铁。

4. 钝化作用的“套路”:

“钝化”是什么? 钝化是指某些金属(比如铝、铬、铁等)在某些强氧化剂(比如浓硝酸、浓硫酸)或者在某些特定条件下,表面形成一层极薄、致密、稳定的氧化物或保护膜,从而阻止金属本身进一步与氧化剂发生化学反应的现象。
稀硫酸的情况: 虽然我们说浓硫酸和浓硝酸容易钝化铁,但稀硫酸在某些情况下,特别是当浓度不是很高,或者氧化层已经形成的情况下,也能起到一定的钝化效果。这层氧化铁就成了它的“保护膜”。
为什么会钝化? 想象一下,硫酸里的氢离子(H⁺)想去跟铁原子(Fe)“打架”,但它得先绕过氧化铁这层“墙”。如果墙够厚够密,氢离子就进不去了。

5. 还有没有别的可能?

杂质: 铁钉里可能有一些杂质,这些杂质的性质也可能影响反应。
环境因素: 温度、是否有其他物质存在,都可能对反应速率产生影响。

那什么时候铁钉会跟稀硫酸反应呢?

破坏氧化层: 如果你把铁钉表面的氧化层磨掉,比如用砂纸打磨一下,然后立刻放进稀硫酸里,你就会看到它冒泡泡了,反应速度会比不打磨的要快很多。
更浓的硫酸: 浓度更高的稀硫酸(虽然我们还是叫它稀硫酸,但浓度比刚才的“极稀”的要高),其氧化性会更强一些,也更容易穿透或溶解那层氧化铁,然后与铁发生反应。
加热: 加热可以提高反应速率,即使是那层氧化层,在高温下也可能更快被硫酸溶解。

总结一下,为什么你觉得铁钉和稀硫酸不反应(或者反应很慢)?

最主要的原因是铁钉表面有一层致密的氧化铁保护层,这层“铠甲”阻止了稀硫酸直接接触到铁,起到了钝化作用。此外,稀硫酸的浓度太低也是一个重要因素。

所以,下次你再遇到这种情况,可以想想是不是氧化层在“捣鬼”!

网友意见

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(20220223补充修改)


第一个原因(可能是主要原因):氯离子的影响


氯离子能活化金属表面,因为氯离子体积小,容易侵入金属及其表面氧化物的晶格,氯离子还有较强的配位能力,能络合反应后生成的金属离子,进一步推动反应进行,硫酸根离子则基本没有这些能力。


金属铝和金属铁与冷的稀硫酸反应都很慢,加热后反应才明显进行。金属铝与20%左右的冷稀硫酸几乎不反应,放置一天也不见明显反应,即使事先除去铝表面的氧化膜,也少见反应,但金属铝即使不除去氧化膜,与10%左右的冷稀盐酸一起放置一段时间,就会发生较为剧烈的反应。


即使是金属锌,与稀盐酸反应也比与稀硫酸反应要剧烈一些,实验室制取氢气比较快速的方法是:用锌与6mol/L(体积比约1:1,即1体积市售37%浓盐酸加1体积水稀释)稀盐酸反应,并在稀盐酸中加入少量氯化铜或者硫酸铜(形成铜锌原电池可进一步加速反应),这一反应在250ml启普发生器中进行,很适用于中学化学课堂演示,反应剧烈,氢气流量大,验纯点燃后可见数厘米高的明显火焰。


第二个原因:硫酸的第二级电离不完全


硫酸在稀水溶液中,第一级电离完全,但第二级电离并不完全:



第二级电离的平衡常数在 数量级,与磷酸或者亚硫酸的第一级电离基本相当,只相当于中强酸,中学化学认为硫酸两级电离都完全,实际是不准确的。


2mol/L稀硫酸(体积比约1:8)的氢离子浓度,实际上明显低于4mol/L稀盐酸(体积比约1:2),按照中学化学标准“氢离子浓度相同”的稀硫酸和稀盐酸,实际上稀硫酸的氢离子浓度比稀盐酸要明显低一些。


第三个原因:铁钉的材质也可能带来影响


铁钉如果是低碳钢材质(市售铁钉一般都是这种材质,表面再镀锌),只要将稀硫酸微热到60—70摄氏度,就会开始明显反应了,一旦反应进行到较快的速率,就可以停止加热,因为铁与稀硫酸反应本来就是放热的,冷稀硫酸与铁的反应确实比较慢。


工业上用钢铁酸洗后的废酸(含有百分之几的残余硫酸,还含有较多的硫酸铁和硫酸亚铁)生产硫酸亚铁(绿矾),可将废酸与废铁屑反应,但要用蒸汽将废酸加热到60摄氏度以上,才能有效反应。


如果钉子是不锈钢等材质,与稀硫酸反应就很困难,有时即使加热也不容易反应,但有些不锈钢是可以与稀盐酸反应的,原因也是氯离子的作用。


即使是低碳钢材质的铁钉,是否经过热处理等因素,也可能影响铁与稀硫酸的反应,这个问题就比较复杂了,同样是低碳钢制造的镀锌低碳钢丝,即一般市售的软铁丝,选取较细的,用砂纸打磨去表面镀锌层后,投入冷稀硫酸中,虽然反应一般缓慢,但仍可看到明显气泡冒出。

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