硫酸是化学反应中的多面手,不但在无机反应中经常使用,而且也是有机反应中的常用试剂。我们知道,硫酸是-种强酸,对许多化学反应有催化作用。在浓硫酸中,硫酸主要以分子形式存在。由于硫酸分子易与水分子化合形成水合分子,因此,浓硫酸具有吸水性和脱水性。
浓硫酸的催化作用实质是利用其强酸性和强质子化能力促成酰基正离子的形成,降低反应活化能,提高反应速度。
浓硫酸的吸水性是指能吸收游离的水或结晶水合物中的水,如:浓硫酸敞开放置增重;浓硫酸做干燥剂;浓硫酸使无水硫酸铜由蓝变白。
浓硫酸的脱水性是指浓硫酸能使某些有机物中的氢氧元素按水的组成比脱去,如浓硫酸能使蔗糖脱水。
浓硫酸在有机反应中常常表现三个方面的作用,即催化作用,吸水作用和脱水作用。例如:用乙醇制乙烯,乙酸和乙醇发生酯化,苯和浓硝酸的硝化,都用到浓硫酸。在这些反应中,浓硫酸都起了催化作用,但还利用了浓硫酸的吸水性或脱水性。究竟是利用了浓硫酸的吸水性还是脱水性?有较多的同学在回答此问题时常常张冠李戴,混淆不清。
物质的化学性质是由结构决定的,能否表现出这一性质却是由外部环境决定的。酸和醇发生酯化反应中:酯化反应需要酸或碱作催化剂,因此,浓硫酸能体现催化作用。酸和醇中有氢有氧,浓硫酸常温下就能使它们脱水,故浓硫酸又能体现脱水性。酯化反应生成的有游离水,可供浓硫酸吸收,所以浓硫酸又能体现吸水性。该反应中浓硫酸表现了哪些性质呢?反应的实质是:H+先和羧酸中的羧基形成烊盐,使羧基的碳原子带有更高的正电性,有利于醇羟基中亲核试剂进攻,然后再失去一分子水,再失去氢离子形成酯,浓硫酸起到了脱水剂的作用。同时,消去的水被浓硫酸固定,使得本反应得以不断向右进行,浓硫酸又起到了吸水剂的作用。因此,在酯化反应中,浓硫酸体现了催化剂、吸水剂和脱水剂的作用。
但是,在中学教学中,学生的知识面不允许我们从反应实质上去分析解决问题,那么,我们怎样回答这样的问题呢?在一个有机化学反应中,浓硫酸的这三个性质可能都有所体现,我们在回答问题时,应当看主要方面,看是否对这个化学反应是否有较大帮助。酸和醇发生酯化反应中,浓硫酸的催化作用是毋庸置疑的。由于酯化反应的可逆程度较大,浓硫酸吸收了反应生成的水,有利于反应向正向进行,因此,浓硫酸也体现了吸水性。在这一化学反应中,浓硫酸的脱水性表现在酸分子内、酸分子间、醇分子内、醇分子间、酸与醇之间,其中酸与醇之间的脱水是对本反应是有较大帮助的,而且,较低温度时,更容易发生分子间的脱水。因此,浓硫酸也体现了它的脱水性。乙醇制乙烯中,浓硫酸表现出了催化作用,浓硫酸的脱水性表现在醇分子间、醇分子内,温度较低时主要是前者,因此,该反应要求将温度迅速升高到170摄氏度左右。浓硫酸虽然也吸收了反应生成的水,使平衡向正向移动,但由于该反应的可逆程度不大,它的吸水对该反应贡献不大,因此,我们说它没有表现出脱水性。苯和浓硝酸的硝化,浓硫酸的催化作用也是肯定的。由于这个反应的可逆程度也不大,浓硫酸没有表现出它的吸水性。硝化反应机理就是形成NO2+然后进行反应,这是亲电取代,当然要形成正离子了,因此硝酸需脱水形成NO2+,那么硫酸的作用自然就是帮助脱水了,所以,浓硫酸表现出了它的脱水性。实验室制乙醚也用到了浓硫酸,在该反应中,浓硫酸体现了催化作用。虽然浓硫酸吸收了反应生成的游离水,但由于该反应的可逆程度也不大,它的吸水对该反应的贡献也不大,因此,我们说它没有体现吸水性。浓硫酸的脱水性表现在乙醇分子间和分子内,由于温度较低,主要是分子间的,它的这一性质当然对该反应有很大的帮助,故它又体现了脱水性。
因此,我们在回答这类问题时,应当从以下几个方面入手:1,浓硫酸有哪些性质?2,题设条件是否能使它表现这些性质?3,浓硫酸体现的这些性质是否对该反应有较大帮助?只有这样,才能抓住问题的实质,才容易找出正确的结论。