浓硫酸(通常指质量分数为 98% 左右的 H?SO?)具有“高密度、高粘度、高沸点”等典型的物理性质。这些性质与其分子结构和分子间作用力密切相关。诠释着“结构决定性质”的真谛。
1. 高密度浓硫酸室温下密度约 1.84 g/cm3。
解释: 硫酸分子(H?SO?)摩尔质量大(98 g/mol),且分子间通过强氢键和偶极-偶极作用紧密堆积,单位体积内质量大。
2. 高粘度浓硫酸是粘稠、油状液体。
解释:
原因之一是分子间存在强大的氢键网络:每个硫酸分子具有两个 –OH 基团(氢键供体)和两个强电负性的氧原子(氢键受体),可形成三维氢键网。
原因之二是自耦电离产生离子:2H?SO? ? H?SO?? + HSO??离子与分子间的静电作用进一步增加流动阻力。硫酸的粘度随温度升高迅速下降,因为热能破坏了部分氢键网络,这也印证了氢键是粘度主因。总之:硫酸粘稠主要是因为其分子具有多个强氢键位点,形成三维氢键网络,以及部分电离产生的离子-分子相互作用,阻碍了液体层间的相对流动。
水也形成氢键能自偶电离,为啥粘度低?
水也形成氢键,但每个水分子只有 2 个 H 供体和 2 个孤对电子(受体),且摩尔质量小,所以粘度低(~1 mPa·s)。浓硫酸在室温下的粘度约为 25 mPa·s,是水的 25 倍左右。
3. 高沸点
98%硫酸的沸点约 337 °C。
解释:
液体沸点取决于克服分子间作用力所需的能量。硫酸分子间作用力(氢键、离子相互作用)极强,汽化需大量能量。
4. 强吸水性
浓硫酸能强烈吸收空气中的水蒸气。解释:硫酸与水混合时,可形成水合氢离子(H?O?)和硫酸氢根(HSO??),并放出大量热(水合热、稀释热)。 其与水反应的热力学驱动力强,因此用作干燥剂。
5. 溶解热大用水稀释浓硫酸时会放出大量热。
解释: 溶解热的主要来源:① 水合热(H? 与 H?O 形成 H?O?);② 硫酸分子电离及与水的强烈氢键作用;整个过程焓变绝对值极大(ΔH 很小)。
6. 导电性
纯硫酸有一定程度的电离,但我们通常认为纯硫酸不导电,因为其自身电离的离子浓度(~0.01 M)虽然远高于水,但仍然不足以让它像电解质溶液那样成为良导体。
解释:(1)导电机制纯硫酸(100% H?SO?)中存在的离子来源于它的自耦电离产生 H?SO?? 和 HSO?? 离子,这些离子(H?SO?? 和 HSO??)在电场作用下可以定向移动,从而导电。纯硫酸的自电离常数很小,在室温下:(不同文献数值略有差异,但数量级约为 10^{-4})
室温下,纯硫酸中每种离子浓度约 0.014 mol/L(或 mol/kg),电导率数量级约为 10?2。这比纯水大 1000 倍左右,但仍然属于弱电解质范畴,比常见酸溶液(如 1 mol/L H?SO? 水溶液,电导率约 0.4 S/m)小得多。
加水稀释时,2H?SO? ? H?SO?? + HSO??平衡正动,初始阶段离子浓度增大,后因稀释效应上升为主导作用,离子浓度减小,所以导电性先增后降(即纯硫酸和稀硫酸之间的导电性有最大值)。



辽ICP备19020167号
辽公网安备 21011402000376号