對金屬過量時銅鐵與濃硫酸反應過程的認識

楊玉梅 陳繼生

（陜西師范大學化學化工學院 陜西 西安 710062）

濃硫酸與金屬單質的反應是高中化學中“硫酸的性質”的教學重點，一般師生都知道Fe和Al常溫下在濃硫酸中會發生鈍化，Cu和濃硫酸要在加熱的條件下才能進行反應，那么當反應容器中的濃硫酸與金屬的量涉及過量與不足的問題時又會出現什么情況呢。濃硫酸與金屬Cu在加熱的條件下反應的化學方程式如下：

從這個化學方程式可以看出，每2mol H2SO4反應后會生成2mol H2O。毫無疑問，當濃硫酸的量遠大于金屬，即使將金屬與濃硫酸完全反應，反應所生成的H2O也不會使濃硫酸的濃度發生較大的變化時，金屬肯定能夠反應完全。

反之，當金屬過量時，情況又會怎樣呢？首先來看下面這道常見的高中化學題：

向50mL18mol·L-1的硫酸溶液中加入足量銅片并加熱充分反應后，被還原的硫酸的物質的量為（ ）

A.小于 0.45mol B.等于 0.45mol

C.在 0.45mol～0.9mol之間 D.大于 0.9mol

對于該題有很多高中學生和老師都會選擇A選項，理由是當硫酸反應到一定程度時，由于H2SO4的消耗以及生成的H2O對濃硫酸的稀釋作用，使得濃硫酸變成稀硫酸，而Cu不能與稀硫酸反應，因此，硫酸不能反應完全。

以上分析思路有一定的合理性，但事實是這樣的嗎？本文接下來將根據國內外的相關研究對此加以分析，一探究竟。

用98%的濃硫酸和過量的銅粉在加熱條件下進行實驗，結果發現硫酸幾乎被完全消耗。在2011年10月，徐州市第一中學的宋志貴也發表了相同結果的文章，認為由于反應在加熱的條件下進行，水不斷被蒸發，所以實際上硫酸一直維持著較高的濃度［1］。我們知道，稀硫酸和Cu不反應。既然過量的Cu能將H2SO4消耗完，那么在整個反應過程中硫酸的濃度肯定要維持在較高的水平上，只是銅粉與濃硫酸反應生成的H2O去向如何，唯一的合理解釋便是蒸發了。但在這個反應中，H2O為什么能被蒸發？所需熱量又來自于何處？

美國肯特州立大學的R.Thomas Myers曾經研究了硫酸的沸點和汽化熱，其中純硫酸是不穩定的，會自動地發生分解，所以硫酸中除了H2SO4以外還包含有HSO4-、H3SO4+、H3O+、H2S2O7-、H2S2O7+和 H2O。 當質量分數為98.33%時，硫酸是最穩定的，在這個濃度下H2SO4與H2O形成了最高恒沸混合物，存在最高恒沸點338.8℃（標準大氣壓）［2］。 100%的硫酸的沸點是 290℃（標準大氣壓），純凈水的沸點為100℃（標準大氣壓）。根據這些數據可以作硫酸在標準大氣壓下的非理想二組分液態混合物相圖（T—w圖）如圖1所示。從圖中可以明顯看出，當硫酸的濃度小于98.33%時，其沸點會隨著硫酸濃度的增大而升高。在硫酸汽化的過程中還應存在一個兩相平衡區，當體系達到一定溫度后，低沸點的H2O會先被蒸發出來，而高沸點的H2SO4則被保留并且濃度不斷升高。所以如果濃硫酸與金屬反應的過程中有足夠的熱量放出，硫酸就能夠維持著較高的濃度，即使金屬過量，H2SO4仍可以被完全消耗。

圖1 H2O—H2SO4的T—w圖

濃硫酸與Cu、Fe等金屬反應一般需要在酒精燈加熱的條件下進行，該過程水分蒸發所需熱量的來源有兩個，其中之一是酒精燈火焰所提供的熱量。酒精燈的加熱溫度為 400～500℃，而硫酸的最高恒沸點僅為338.8℃，因此單靠酒精燈提供的熱量就足以使H2O蒸發掉，從而使硫酸始終保持著較高的濃度，直至其被完全消耗。需要注意的是，要使硫酸中的H2O蒸發掉，體系的溫度并非只需達到純水的沸點（100℃）就可以了。在硫酸中H2O和H2SO4形成了共沸物，要使H2O蒸發，所需溫度實際上比純水的沸點高得多，這一點從硫酸的相圖中也可以看出，隨著硫酸濃度不斷升高至接近98.33%，氣液兩相平衡區的溫度也在不斷升高。另外一個熱量來源，是反應生成的H2O與體系中的H2SO4作用所放出的熱量。在稀釋濃硫酸的過程中，正確的操作是將濃硫酸沿燒杯壁緩慢倒入盛有水的燒杯中，并且邊倒入邊攪拌，而不能將水倒入盛有濃硫酸的燒杯中。因為在這個過程中H2O與H2SO4作用會放出大量的熱，如果將水倒入濃硫酸中，產生的熱量來不及擴散就會導致濃硫酸表層的水暴沸將硫酸濺出，非常危險。當然這也表明H2O與H2SO4作用放出的熱量是相當大的。一份H2SO4與一份占其質量33.8%的H2O混合放出的熱量最高可以達到使體系的溫度升高到159℃，此外1mol H2SO4和1mol H2O混合可以放出6.71cal的熱量［3］。從濃硫酸與Cu在加熱的條件下反應的化學方程式可以看出每消耗1mol H2SO4便會生成1mol H2O，不過在反應過程中反應生成的H2O會伴隨著酒精燈的加熱不斷消耗，所以反應生成的H2O與體系中H2SO4作用放出的熱量并不像等量的H2SO4和H2O混合所放出來的熱量表現的那么明顯，但這些數據充分可以說明，除了酒精燈提供的熱量以外，反應生成的H2O與體系中H2SO4作用放出的熱量對硫酸濃度維持在一個較高的水平上也做出了一定的貢獻。

綜上所述，濃硫酸和金屬在酒精燈加熱的條件下進行反應，當金屬的量大于H2SO4時，H2SO4可以被完全消耗，主要是因為酒精燈提供的足夠的熱量和反應生成的H2O與體系中H2SO4作用放出的熱量使整個過程中H2O不斷被蒸發，硫酸維持在了一個較高的濃度水平上。

［1］ 宋志貴.對銅和濃硫酸反應的再認識［J］.中學化學教學參考，2011，（10）：64

［2］ R.Thomas Myers.What is the Boiling Point and Heat of Vaporization of Sulfuric Acid ［J］.Journal of Chemical Education，1983，60（12）：1017～1018

［3］ I.A.Leenson.Sulfuric Acid and Water： Paradoxes of Dilution［J］.Journal of Chemical Education，2004，81（07）：991～994