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本页面列出一些酸的性质及制法。

硫酸([math]\ce{ H2SO4 }[/math]

密度 熔点 沸点 闪点 燃点
(着火点)
pKa LD50 LC50 NFPA 704
\(1.8302 \ \text{g/cm}^3\) $10.31 \ {}^\circ \text{C}$ $337 \ {}^\circ \text{C}$ 不可燃 不可燃 $−2.8, 1.99$ $2140 \ \text{mg/kg}$(大鼠,口服) $510 \ \text{mg/m}^3$(大鼠,2时)
NFPA 704.svg
0
3
2
W

性质

通常情况下,硫酸为无色无臭液体,有酸味,透明而黏稠。在工业生产过程中,硫酸会被染色以提高人对其危险性的警惕。

硫酸有极其良好的导电性,这得归根于[math]\ce{ H3SO4+ }[/math][math]\ce{ HSO4- }[/math]离子。

硫酸和水一样是常用的溶剂。

硫酸能与水以任意比例互溶。

常见硫酸浓度
溶质质量分数 密度
(\[\text{g/cm}^3\])
俗称
$<29 \%$ $1.00-1.25$ 稀硫酸
$29-32 \%$ $1.25-1.28$ 铅酸蓄电池酸
$62-70 \%$ $1.52-1.60$ 室酸
肥料酸
$78-80 \%$ $1.70-1.73$ 塔酸
肥料酸
$93.2 \%$ $1.83$ \[66 \ {}^\circ \text{B}\acute{\text{e}}\]酸
$98.3 \%$ $1.84$ 浓硫酸

硫酸溶于水时会发生高度放热反应,溶液在稀释过程中容易溅出,造成危险。应把硫酸加入水中,而不是把水倒入硫酸中。一方面,硫酸的密度比水大,把水加入硫酸中会使水浮在硫酸上沸腾并飞溅;另一方面因为水的比热容高,可降低其危险性。

硫酸是一种强脱水剂,可用作干燥剂。当硫酸与碳水化合物接触时,会使其脱水碳化,以蔗糖为例:

[math]\ce{ C12H22O11 \xlongequal{\text{H}_{2}\text{SO}_{4}} 12C + 11H2O (^) }[/math]

同样,硫酸可使五水硫酸铜脱水变为无水硫酸铜。

[math]\ce{ CuSO4·5H2O \xlongequal{\text{H}_{2}\text{SO}_{4}} CuSO4 + 5H2O (^) }[/math]

制取浓硫酸之后,将硫酸与食盐([math]\ce{ NaCl }[/math]),以及智利硝石([math]\ce{ NaNO3 }[/math])或者火硝([math]\ce{ KNO3 }[/math])加热反应,可制取盐酸([math]\ce{ HCl }[/math])和硝酸([math]\ce{ HNO3 }[/math])。中文中通常不会把盐酸称为“氢氯酸”,更不会把硝酸称为“氮酸”,正与它们的原始制法有关。

古代制法

在中国,唐朝炼丹家孤刚子在其所著《黄帝九鼎神丹经诀》卷九中就记载着“炼石胆取精华法”,即将胆矾(又称石胆、曾青,[math]\ce{ CuSO4·5H2O }[/math],亦作[math]\ce{ [Cu(H2O)4]SO4·H2O }[/math])进行高温干馏,干馏后得到的气体产物经冷凝后得到一种液体,称为石胆精(即浓硫酸):

[math]\ce{ CuSO4·5H2O \xlongequal{高温} CuO + SO3 (^) + 5H2O (^) }[/math]

[math]\ce{ SO3 + H2O \xlongequal{} H2SO4 }[/math]

与之相似,西方中世纪炼金术士们将绿矾[math]\ce{ FeSO4·7H2O }[/math])放在玻璃曲颈甑,也就是一种原始的玻璃蒸馏烧瓶中进行高温干馏,干馏后得到的气体产物经冷凝后,最终得到一种油状液体(可能还需要在曲颈甑中对冷凝液体进行进一步蒸馏浓缩,以得到油状液体),有强腐蚀性,称作绿矾油(即浓硫酸):

[math]\ce{ 2(FeSO4·7H2O) \xlongequal{高温} Fe2O3 + SO2 (^) + SO3 (^) + 14H2O (^) }[/math]

[math]\ce{ SO3 + H2O \xlongequal{} H2SO4 }[/math]

工业制法

制取[math]\ce{ SO2 }[/math]

鉴于我国缺乏天然硫磺矿,而硫铁矿资源却比较丰富的情况,常用隔绝空气给硫铁矿([math]\ce{ FeS2 }[/math])加强热的方法制取硫磺([math]\ce{ S }[/math]),即土法制硫磺,《天工开物》即有记载并沿用至今:

[math]\ce{ FeS2 \xlongequal{高温} FeS + S (^) }[/math]

可燃烧硫磺、加热硫铁矿、闪锌矿([math]\ce{ ZnS }[/math])、硫化汞([math]\ce{ HgS }[/math])等获得[math]\ce{ SO2 }[/math]

[math]\ce{ S + O2 \xlongequal{点燃} SO2 }[/math]

[math]\ce{ 4FeS2 + 11O2 \xlongequal{\vartriangle} 2Fe2O3 + 8SO2 }[/math]

[math]\ce{ 2ZnS + 3O2 \xlongequal{\vartriangle} 2ZnO + 2SO2 }[/math]

[math]\ce{ HgS + O2 \xlongequal{\vartriangle} Hg + SO2 }[/math]

硝化法

分为铅室法和塔式法两种,现已几乎不再使用。简化原理即氧化[math]\ce{ SO2 }[/math]得到[math]\ce{ SO3 }[/math],并与水反应得到硫酸:

[math]\ce{ NO }[/math][math]\ce{ O2 }[/math]反应生成[math]\ce{ NO2 }[/math][math]\ce{ SO2 }[/math][math]\ce{ NO2 }[/math]反应生成[math]\ce{ SO3 }[/math],再与[math]\ce{ H2O }[/math]反应可得浓度为70%左右的硫酸:

[math]\ce{ 2NO + O2 \xlongequal{} 2NO2 }[/math]

[math]\ce{ SO2 + NO2 \xlongequal{} SO3 + NO }[/math]

[math]\ce{ SO3 + H2O \xlongequal{} H2SO4 }[/math]

或使用[math]\ce{ N2O3 }[/math],生成的[math]\ce{ NO }[/math]又迅速氧化生成[math]\ce{ NO2 }[/math],再生成[math]\ce{ N2O3 }[/math]

[math]\ce{ SO2 + N2O3 + H2O \xlongequal{} H2SO4 + 2NO }[/math]

[math]\ce{ 2NO + O2 \xlongequal{} 2NO2 }[/math]

[math]\ce{ NO + NO2 \xlongequal{} N2O3 }[/math]

硝化法所得硫酸纯度较低,且无法除去[math]\ce{ NO }[/math][math]\ce{ NO2 }[/math],因此混有亚硝酸([math]\ce{ HNO2 }[/math])和硝酸([math]\ce{ HNO3 }[/math]):

[math]\ce{ NO + NO2 + H2O \xlongequal{} 2HNO2 }[/math]

[math]\ce{ 3NO2 + H2O \xlongequal{} 2HNO3 + NO }[/math]

实际上,可以将[math]\ce{ NO2 }[/math]看作催化剂。从理论上看,[math]\ce{ SO2 }[/math]的氧化是一个气相氧化过程,因此设计在中空的铅室中进行,[math]\ce{ Pb }[/math]可以耐受浓度不太高的硫酸腐蚀。

由于铅室法实际并不是[math]\ce{ SO2 }[/math]气相氧化法,[math]\ce{ SO2 }[/math]的氧化反应主要在液相中进行,因此也可以用塔来代替铅室,这就是铅室法的改进——塔式法。塔是化工生产中进行气液传质(质量传递,包括吸收、精馏等)单元操作的重要设备,塔中有充填填料(瓷环、瓷片等)或者塔板(泡罩塔、筛板塔等),能有效地做到增加气液接触面积,延长接触时间等,使得传质效率得到了很大的提高,塔式法相对铅室法,单塔SO2转化率远优于单个铅室,因此是一种有效的改进方法。

铅室法或者塔式法,生产原料容易获得,对设备要求也低,制造铅室或者塔只要是耐酸材料就行,只要能耐受80%以下的硫酸,以及氮氧化物、硝酸等即可,不一定必须用铅,甚至可以用非金属材料制造,因此在工业基础薄弱的情况下,也可以建成硫酸厂。

抗战时期,敌后抗日根据地曾使用硝化法大量生产硫酸,进而生产硝酸,所使用的设备是用耐酸陶缸,即农村用的大水缸制成的“缸室”和“缸塔”,并在“缸塔”中填充碎瓷片等作为填料,用陶瓷管作为导管;所使用的原料主要是农村土产的硫磺和火硝,通过燃烧硫磺获取[math]\ce{ SO2 }[/math],制得的硫酸和火硝共热即可制取硝酸,制取硝酸的副产品硫酸氢钾([math]\ce{ KHSO4 }[/math])又可以和火硝共热制取[math]\ce{ NO2 }[/math]。根据地简陋条件下生产的硫酸和硝酸为根据地兵工厂提供了大量的火炸药制造原料。

由于铅室法实际属于液相氧化法,没有直接生成[math]\ce{ SO3 }[/math],因此制得的硫酸浓度较低,一般只稍高于60%,改进的塔式法生产硫酸浓度稍高,但一般仍不超过76%,无法直接生产98%浓硫酸,更无法生产发烟硫酸,这是铅室法或者塔式法的最大缺点。铅室法或者塔式法可以利用浓度很低的含[math]\ce{ SO2 }[/math]气体生产硫酸,冶炼某些有色金属硫化物矿石时,含低浓度[math]\ce{ SO2 }[/math]的烟气可以以塔式法进行回收,生产副产品硫酸,能起到环保作用,因此今天塔式法也没有完全失去工业应用价值。

接触法(催化氧化法)

硝化法无法直接生产98%浓硫酸,即使蒸馏获得98%浓硫酸,也很难进一步制得发烟硫酸([math]\ce{ H2S2O7 }[/math]),随着化学工业和军事工业的发展,需要的98%浓硫酸和发烟硫酸越来越多,硝化法显然不能满足需求,于是出现了接触法。

接触法本质是[math]\ce{ SO2 }[/math]的气相催化氧化法,使用空气中的[math]\ce{ O2 }[/math]作为氧化剂,在一定温度和催化剂的作用下,将[math]\ce{ SO2 }[/math]直接氧化为[math]\ce{ SO3 }[/math],然后与水反应即得到硫酸。由于直接生成了[math]\ce{ SO3 }[/math],控制水的用量可以制得浓度很高的硫酸,甚至发烟硫酸。

实际上,“接触剂”或者“触媒”本来就是“催化剂”的一种旧称,直到20世纪60年代,中文化学资料中仍然广泛使用“接触剂”这一名词,因此“接触法”就是“催化法”,也就是[math]\ce{ SO2 }[/math]催化氧化法。

接触法最早使用的催化剂是[math]\ce{ Pt }[/math],在[math]\ce{ Pt }[/math][math]\ce{ SO2 }[/math]催化氧化反应中,所需的活化温度最低,仅需300℃—400℃,且[math]\ce{ SO2 }[/math]的转化率可达99%左右。但[math]\ce{ Pt }[/math]价格昂贵,而且很容易发生催化剂中毒,少量杂质都容易使得铂催化剂失效,因此目前已经不再使用。以五氧化二钒([math]\ce{ V2O5 }[/math])为主要活性组分的钒催化剂所需的活化温度略高于[math]\ce{ Pt }[/math],通常为420℃—600℃,[math]\ce{ SO2 }[/math]的转化率也可做到90%以上,且价格相对便宜,不容易发生催化剂中毒失活,因此目前使用的催化剂主要都是这一种。

实际上,[math]\ce{ Cr2O3 }[/math][math]\ce{ Fe2O3 }[/math]等都可以作为[math]\ce{ SO2 }[/math]催化氧化的催化剂,但这些催化剂的活化温度更高,[math]\ce{ SO2 }[/math]的转化率会下降,因此工业上不使用,但可以在实验室中使用。例如中学化学实验室中演示[math]\ce{ SO2 }[/math]的催化氧化,可将新制的[math]\ce{ Cr2O3 }[/math][math]\ce{ Fe2O3 }[/math]附着在石棉绒或者玻璃棉、玻璃纤维等载体上,再装填进硬质玻璃管、瓷管或者石英管中作为催化剂,并加以强热,同样可以收到一定的实验效果。

[math]\ce{ 2SO2 + O2 <=>[V2O5][\vartriangle] 2SO3 }[/math]

[math]\ce{ SO3 }[/math]与水的反应极其剧烈,将水直接加入固体[math]\ce{ SO3 }[/math]中,比将水倒入浓硫酸中的后果还要严重,无论是工业上还是实验室中都不能使用这种方法。如果直接溶于水中,就会释出大量热能,并形成硫酸雾,阻碍溶解过程,而且难以收集。

此外,[math]\ce{ SO3 }[/math]在硫酸中的溶解度比水高,因此工业上使用98.3%硫酸吸收[math]\ce{ SO3 }[/math]气体。吸收时,先是[math]\ce{ SO3 }[/math]与98.3%硫酸中的少量水反应,硫酸浓度增加,当硫酸浓度增加到100%之后,过量的[math]\ce{ SO3 }[/math]仍然可以溶解在100%硫酸中,生成发烟硫酸。再用92.5%的硫酸或水稀释,便继续形成98.3%的硫酸。所制得的硫酸会被冷却及储存:

[math]\ce{ H2SO4 + SO3 \xlongequal{} H2S2O7 }[/math]

[math]\ce{ H2S2O7 + H2O \xlongequal{} 2H2SO4 }[/math]

实验室制法

蒸馏法

加热蒸馏稀硫酸,由于硫酸和水的沸点不同,可以得到硫酸和水的共沸混合物。

电解法

由于[math]\ce{ OH- }[/math][math]\ce{ SO4^{2-} }[/math]更容易失去电子,水被电解时,硫酸不被电解,会留在溶液内。电解稀硫酸溶液,可以把其中的水电解得到[math]\ce{ H2 }[/math][math]\ce{ O2 }[/math],同时得到浓硫酸。

[math]\ce{ CuSO4 }[/math]

利用[math]\ce{ Cu^{2+} }[/math][math]\ce{ H+ }[/math]容易得到电子,以及[math]\ce{ H }[/math]后不活泼金属的硫化物难溶于酸的特性制硫酸。在不活泼金属的硫酸盐中,[math]\ce{ CuSO4 }[/math]最容易得到,因此这种方法选用[math]\ce{ CuSO4 }[/math]。由于[math]\ce{ SO4^{2-} }[/math]不变,用多少[math]\ce{ CuSO4 }[/math]就能制多少硫酸。

电解[math]\ce{ CuSO4 }[/math]溶液:

[math]\ce{ 2CuSO4 + 2H2O \xlongequal{通电} 2Cu (v) + 2H2SO4 + O2 (^) }[/math]

[math]\ce{ H2S }[/math]气体通入[math]\ce{ CuSO4 }[/math]中:

[math]\ce{ CuSO4 + H2S \xlongequal{} CuS (v) + H2SO4 }[/math]

电解[math]\ce{ MnSO4 }[/math]溶液法

同样,由于[math]\ce{ SO4^{2-} }[/math]不变,用多少[math]\ce{ MnSO4 }[/math]就能制多少硫酸。顺便得到[math]\ce{ MnO2 }[/math],可以和[math]\ce{ SO2 }[/math]反应再生成硫酸。

[math]\ce{ MnSO4 + 2H2O \xlongequal{通电} MnO2 (v) + H2SO4 + H2 (^) }[/math]

[math]\ce{ SO2 + 2H2O \xlongequal[MnO2]{通电} H2SO4 + H2 (^) }[/math]


盐酸([math]\ce{ HCl }[/math]

密度 熔点 沸点 闪点 燃点
(着火点)
pKa NFPA 704
$1.189 \ \text{g/cm}^3$(\[38 \%\]溶液) $-26 \ {}^\circ \text{C}$(\[38 \%\]溶液) $48 \ {}^\circ \text{C}$(\[38 \%\]溶液) 不可燃 不可燃 $−8.0$
NFPA 704.svg
0
3
1
ACID

性质

通常情况下,盐酸为无色透明液体,有酸味、微辣,具有腐蚀性。浓盐酸易挥发出[math]\ce{ HCl }[/math],产生刺激性气味和酸雾(盐酸小液滴),亦称发烟盐酸。

盐酸溶于水会产生[math]\ce{ H3O+ }[/math][math]\ce{ Cl- }[/math]离子。

[math]\ce{ HCl }[/math]

密度 熔点 沸点 闪点 燃点
(着火点)
pKa LD50 LC50 NFPA 704
$1.477 \ \text{g/cm}^3$ $-114.22 \ {}^\circ \text{C}$ $85.05 \ {}^\circ \text{C}$ 不可燃 不可燃 $−5.9$ $238 \ \text{mg/kg}$(大鼠,口服) $3124 \ \text{mg/m}^3$(大鼠,1时)
NFPA 704.svg
0
3
1
ACID

盐酸的物理性质取决于[math]\ce{ HCl }[/math]溶解的浓度。

通常情况下,[math]\ce{ HCl }[/math]为无色、有刺激性气味的气体,具有腐蚀性。[math]\ce{ HCl }[/math]极易溶于水,在\[0 \ {}^\circ \text{C}\]时,1体积的水大约能溶解500体积的[math]\ce{ HCl }[/math],溶解度为\[823 \text{ g}\],且其溶解度随温度升高而降低。常说的\[37 \%\]盐酸应指\[50 \ {}^\circ \text{C}\]时,溶解度为\[596 \text{ g}\],饱和溶液溶质质量分数为\[37.3 \%\]。

工业生产(在经防腐处理过的钢瓶中燃烧[math]\ce{ H2 }[/math][math]\ce{ Cl2 }[/math])的盐酸浓度通常为\[37 \%\],常因含有杂质[math]\ce{ FeCl3 }[/math]而显淡黄色。\[40 \%\]以上的更高浓度在化学上可以实现,但其蒸发速率太快,导致储存与处理时都需要采取额外的措施,例如低温、加压等。工业大量需求的浓度是\[30 \%\]到\[34 \%\],此时[math]\ce{ HCl }[/math]蒸气损耗最少,是运输时的最佳浓度。

盐酸是胃酸的主要成分,能够促进食物消化、抵御微生物感染。

盐酸受到公安部管制,主要原因是常被用于制备毒品(海洛因、可卡因、甲基苯丙胺等),而非其危险性。

制法

目前,工业上经常作为副产品获得[math]\ce{ HCl }[/math],而非专门制取。

加热硫酸与食盐法

制取浓硫酸之后,将硫酸与[math]\ce{ NaCl }[/math]加热反应,制取[math]\ce{ HCl }[/math]。中文中通常不会把盐酸称为“氢氯酸”,正与其原始制法有关。应注意控制温度于\[650 \ {}^\circ \text{C}\]以下,否则产物[math]\ce{ Na2SO4 }[/math]会熔化。总方程式为:

[math]\ce{ H2SO4 + 2NaCl \xlongequal{\vartriangle} Na2SO4 + 2HCl (^) }[/math]

该反应分为两部分,首先室温下即可发生:

[math]\ce{ H2SO4 + NaCl \xlongequal{} NaHSO4 + HCl (^) }[/math]

如果[math]\ce{ NaCl }[/math]过量,且温度超过\[200 \ {}^\circ \text{C}\],会有进一步反应:

[math]\ce{ NaHSO4 + NaCl \xlongequal{\vartriangle} Na2SO4 + HCl (^) }[/math]

电解法

电解饱和[math]\ce{ NaCl }[/math]溶液,再燃烧[math]\ce{ H2 }[/math][math]\ce{ Cl2 }[/math]

[math]\ce{ 2NaCl + 2H2O \xlongequal{通电} 2NaOH + Cl2 (^) + H2 (^) }[/math]

[math]\ce{ H2 + Cl2 \xlongequal{点燃} 2HCl }[/math]

为了除去产物中未完全反应的[math]\ce{ Cl2 }[/math][math]\ce{ H2 }[/math]通常需要过量\[2-5 \%\]。

之后将[math]\ce{ HCl }[/math]溶于水即可。

硝酸([math]\ce{ HNO3 }[/math]

密度 熔点 沸点 闪点 燃点
(着火点)
pKa LC50 NFPA 704
\(1.51 \ \text{g/cm}^3\) $-42 \ {}^\circ \text{C}$ $83 \ {}^\circ \text{C}$ 不可燃 不可燃 $−1.4$ $138 \ \text{ppm}$(大鼠,30分)
NFPA 704.svg
0
4
2
OX

性质

硝酸为无色、透明液体,易挥发出[math]\ce{ NO2 }[/math],有强氧化性及腐蚀性。硝酸易受热或见光分解,因此应在保存时进行遮光处理。由于红棕色的[math]\ce{ NO2 }[/math]存在,浓硝酸(发烟硝酸)呈淡黄色。

硝酸中氮元素显\[+5\]价,具有极强的酸性。硝酸能以任意比例与水混溶,会产生[math]\ce{ H3O+ }[/math][math]\ce{ NO3- }[/math]离子。

随着硝酸浓度的减小,其还原产物逐渐由高价向低价过渡,从最浓到最稀可生成[math]\ce{ NO2 }[/math](\[+4\])、[math]\ce{ NO }[/math](\[+2\])、[math]\ce{ N2O }[/math](\[+1\])、[math]\ce{ N2 }[/math](\[0\])与[math]\ce{ NH4NO3 }[/math]