濃硫酸(通常指質(zhì)量分數(shù)為 98% 左右的 H?SO?)具有“高密度、高粘度、高沸點”等典型的物理性質(zhì)。這些性質(zhì)與其分子結(jié)構(gòu)和分子間作用力密切相關。詮釋著“結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)”的真諦。
1. 高密度濃硫酸室溫下密度約 1.84 g/cm3。
解釋: 硫酸分子(H?SO?)摩爾質(zhì)量大(98 g/mol),且分子間通過強氫鍵和偶極-偶極作用緊密堆積,單位體積內(nèi)質(zhì)量大。
2. 高粘度濃硫酸是粘稠、油狀液體。
解釋:
原因之一是分子間存在強大的氫鍵網(wǎng)絡:每個硫酸分子具有兩個 –OH 基團(氫鍵供體)和兩個強電負性的氧原子(氫鍵受體),可形成三維氫鍵網(wǎng)。
原因之二是自耦電離產(chǎn)生離子:2H?SO? ? H?SO?? + HSO??離子與分子間的靜電作用進一步增加流動阻力。硫酸的粘度隨溫度升高迅速下降,因為熱能破壞了部分氫鍵網(wǎng)絡,這也印證了氫鍵是粘度主因?傊毫蛩嵴吵碇饕且驗槠浞肿泳哂卸鄠強氫鍵位點,形成三維氫鍵網(wǎng)絡,以及部分電離產(chǎn)生的離子-分子相互作用,阻礙了液體層間的相對流動。
水也形成氫鍵能自偶電離,為啥粘度低?
水也形成氫鍵,但每個水分子只有 2 個 H 供體和 2 個孤對電子(受體),且摩爾質(zhì)量小,所以粘度低(~1 mPa·s)。濃硫酸在室溫下的粘度約為 25 mPa·s,是水的 25 倍左右。
3. 高沸點
98%硫酸的沸點約 337 °C。
解釋:
液體沸點取決于克服分子間作用力所需的能量。硫酸分子間作用力(氫鍵、離子相互作用)極強,汽化需大量能量。
4. 強吸水性
濃硫酸能強烈吸收空氣中的水蒸氣。解釋:硫酸與水混合時,可形成水合氫離子(H?O?)和硫酸氫根(HSO??),并放出大量熱(水合熱、稀釋熱)。 其與水反應的熱力學驅(qū)動力強,因此用作干燥劑。
5. 溶解熱大用水稀釋濃硫酸時會放出大量熱。
解釋: 溶解熱的主要來源:① 水合熱(H? 與 H?O 形成 H?O?);② 硫酸分子電離及與水的強烈氫鍵作用;整個過程焓變絕對值極大(ΔH 很。。
6. 導電性
純硫酸有一定程度的電離,但我們通常認為純硫酸不導電,因為其自身電離的離子濃度(~0.01 M)雖然遠高于水,但仍然不足以讓它像電解質(zhì)溶液那樣成為良導體。
解釋:(1)導電機制純硫酸(100% H?SO?)中存在的離子來源于它的自耦電離產(chǎn)生 H?SO?? 和 HSO?? 離子,這些離子(H?SO?? 和 HSO??)在電場作用下可以定向移動,從而導電。純硫酸的自電離常數(shù)很小,在室溫下:(不同文獻數(shù)值略有差異,但數(shù)量級約為 10^{-4})
室溫下,純硫酸中每種離子濃度約 0.014 mol/L(或 mol/kg),電導率數(shù)量級約為 10?2。這比純水大 1000 倍左右,但仍然屬于弱電解質(zhì)范疇,比常見酸溶液(如 1 mol/L H?SO? 水溶液,電導率約 0.4 S/m)小得多。
加水稀釋時,2H?SO? ? H?SO?? + HSO??平衡正動,初始階段離子濃度增大,后因稀釋效應上升為主導作用,離子濃度減小,所以導電性先增后降(即純硫酸和稀硫酸之間的導電性有最大值)。
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