透过硫酸分子结构理解其物理性质

本文发表于《高中数理化》，也是即将由山东科技出版社出版的《用原子的眼睛看世界——中学化学关键知识解读》书中的一篇。

硫酸在现代社会生产和生活中有着重要的地位，从科学研究到工业生产，从中学化学教科书、实验室到大众文化，都不断出现它的身影。

硫酸产量是一个国家化学工业发展水平的重要标志。

关于硫酸的性质与应用，是中学化学的基础知识，但仅仅记住这些知识是不够的，作为高中理科学生，应该根据硫酸的分子结构，深入理解硫酸的性质和应用。

1.如何根据硫酸的分子结构理解其物理性质特征？

硫酸作为一种液态物质（熔点：10.4 ℃，沸点337℃），其物理性质跟一般的液体相比有很大的不同。

粘稠的油状、沸点极高、以任意比例溶解于水、溶解过程中释放大量的热……。

结构决定性质，让我们先看看硫酸分子具有怎样的结构：

硫酸分子内有4个氧原子以及两个跟氧原子直接相连的氢原子（羟基氢原子），具备形成分子间氢键的条件。

所以，硫酸自身分子之间存在大量的氢键作用，故而沸点跟一般的液体物质相比显得非常高（对比：相对分子质量接近的烷烃C₇H₁₆熔点-90.6℃；沸点98.4℃）。

由于硫酸分子之间作用力太强，以至于流动性减弱，显得粘稠。

请你根据磷酸的结构思考，磷酸是否也跟硫酸一样具有很高的熔、沸点？

磷酸跟硫酸具有相同的质量，分子中的氧原子数跟硫酸一样，且比硫酸多出一个羟基氢原子，可以想象，磷酸分子间也极易形成大量氢键，它也应该跟硫酸一样具有很高的熔点（42℃）和沸点（261℃，同时分解），其熔点比硫酸还要高，室温下纯净的磷酸呈固态，实验室常用磷酸溶液是非常粘稠的85%左右的水溶液。

同理，鸡蛋白、浓的糖水、蜂蜜等液态物质呈粘稠状态，不易流动，也跟其内部存在大量氢键、分子间作用力强有关。

硫酸分子与水分子之间也可以形成大量的氢键，故硫酸与水可以以任意比例混溶。

由于形成氢键过程中释放能量，所以硫酸溶于水的过程中会释放大量的热（当然，该过程也包含破坏原来“硫酸-硫酸”、“水-水”分子间氢键，此二过程会吸收能量，从实验事实看，“硫酸-水”分子间形成氢键释放的能量多于破坏原来的氢键所吸收的能量）。

硫酸具有强吸水性的原因，也跟它易于跟水分子间形成氢键有关。

纯硫酸的密度为1.81g·cm^-3，相对较大（对比：相对分子质量接近的烷烃C₇H₁₆密度0.7 g·cm^-3），显然也跟其分子间作用力强，彼此结合更紧密有关。

这里需要说明的一点是，油状、粘稠的性状跟密度大小并无直接关联。比如CCl₄，它的密度很大（密度1.6 g/cm³），但并不粘稠，用滴管取用CCl₄时可以看到，CCl₄ 液滴比水滴小得多，又由于其密度大、且跟玻璃不易浸润，一不小心很容易滴落到桌面上。

2.硫酸的吸水性跟脱水性有何区别与联系？胆矾遇浓硫酸变白过程中，硫酸表现了吸水性还是脱水性？

一般认为，吸水性属于硫酸的物理性质，而脱水性则属于硫酸的化学性质，但又很难说清楚硫酸是如何表现其化学作用的，因为吸水、脱水前后，硫酸似乎都还是硫酸，只是浓度有所降低而已。

宏观上，从硫酸的角度看，似乎二者并无本质区别。

其实不然。

硫酸吸水虽然不能说就是简单的物理过程（形成氢键属于物理变化还是化学变化？这个问题存在争议），但毕竟硫酸分子结合的是原本就独立存在的H₂O分子。

相比而言，硫酸脱水的过程就很复杂了，比如硫酸使蔗糖脱水，硫酸一定参与了蔗糖脱水的反应过程，只是最终它又恢复了原来的成分而已。

蔗糖结构比较复杂，让我们以乙醇脱水过程为例加以说明：

C₂H₅OH+ HO-SO₂-OH →C₂H₅-O-SO₂-OH（硫酸氢乙酯） + H₂O

H-CH₂-CH₂-O-SO₂-OH 170℃→ CH₂=CH₂↑+ H₂SO₄

顺便提及，在硫酸催化乙醇脱水反应中，硫酸的作用就是催化剂，其催化的本质就是脱水，所以传统说法“催化剂、脱水剂”属于重复叙述。

那么，把胆矾加入浓硫酸中搅拌，蓝色固体逐渐变白的过程中，硫酸表现了吸水性还是脱水性呢？让我们借助如下实验加以说明：

实验表明，上述密闭系统内，左侧容器内的蓝色的胆矾晶体经过很长一段时间后会变白，而右侧容器内硫酸的浓度则会降低。

那么此实验中硫酸表现了吸水性还是脱水性呢？显然是吸水性。

你把硫酸跟胆矾直接混合，胆矾变白的原理跟这个实验并无不同。

3.何谓发烟硫酸？发烟硫酸发出的是烟吗？

纯硫酸具有吸收、溶解SO₃的能力，硫酸工业正是根据这一点，利用98.3%的浓硫酸吸收SO₃的，因为该溶解过程放热少，且硫酸沸点高，不易导致硫酸沸腾产生酸雾。

吸收了过多SO₃的硫酸就是发烟硫酸，吸收了过多SO₃的发烟硫酸因SO₃挥发，跟空气中的水蒸气作用形成大量硫酸酸雾，肉眼难以辨别是烟还是雾，被称为“发烟硫酸”。