联合国禁毒公约管制的22种易制毒化学品中,硫酸和盐酸也列入易制毒化学品,我国参照联合国禁毒公约,将硫酸和盐酸列入第三类易制毒化学品进行管制。对于第三类易制毒化学品,虽然个人可以使用现金购买,但除了个人自用购买少量高锰酸钾之外,均需要在购买前向公安机关备案,未经备案随意购买硫酸和盐酸涉嫌违法。近年来国内很多城市加强了对硫酸和盐酸销售的管制,化学爱好者购买硫酸和盐酸试剂有一定困难,但硫酸或者盐酸是最基本的化学试剂之一,缺少则大部分化学实验按照常规方法很难进行,是否可以寻找代用品呢?
目前市场上有一些“家庭化学实验箱”销售,其中适合儿童或者小学初中学生的版本,为了避免涉嫌违法,加之在实验箱中提供硫酸、盐酸等有较强腐蚀性的试剂对儿童存在潜在危险,多用柠檬酸等危险性较小的较弱有机酸代替硫酸、盐酸等,例如使用柠檬酸溶液和镁条反应,进行制取氢气的实验,但相对硫酸、盐酸等强酸,柠檬酸等有机酸酸性太弱,即使和活泼金属镁反应制取氢气,往往也只能观察到有氢气气泡逸出的现象,没有太大实用价值。
笔者经过实验,使用硫酸氢钠溶液代替稀硫酸,在绝大多数使用稀硫酸的中学化学实验中都是可行的,甚至在一些大学无机化学和有机化学实验中,仍然可以用硫酸氢钠代替硫酸,这样既可以避开管制药品,危险性也相对小一些。下面介绍一个笔者实验通过,使用硫酸氢钠溶液代替稀硫酸制取氢气的实验。
硫酸氢钠(NaHSO4)或者焦硫酸钠(Na2S2O7)常在分析化学中作为熔解某些矿石的一种酸性熔剂,其中焦硫酸钠更为常用,焦硫酸钠溶于水亦生成硫酸氢钠:
Na2S2O7+H2O=2NaHSO4
因此二者的水溶液均可作为硫酸氢钠水溶液看待,硫酸氢钠在水溶液中电离出硫酸氢根离子(HSO4-),硫酸氢根离子可继续电离为氢离子和硫酸根离子,因此可看作一元酸。硫酸氢根离子并非完全电离的强电解质,其酸性比磷酸略强,为中强酸,但中学化学课程中认为硫酸是二元强酸,硫酸氢根离子也看作完全电离,因此可认为水溶液中的硫酸氢钠相当于一元强酸,等物质的量硫酸钠和硫酸的混合水溶液,即相当于硫酸氢钠水溶液,或者说硫酸氢钠水溶液的性质与硫酸钠—硫酸混合水溶液的性质相同,在硫酸钠对反应没有干扰的情况下,硫酸氢钠水溶液即可代替稀硫酸使用。
作为熔矿剂,焦硫酸钠试剂更容易买到,笔者购买了焦硫酸钠试剂,为打碎的大块熔块,将较大的熔块进一步研碎,称取33g—44g焦硫酸钠置于小烧杯中,倒入约60ml水,微热并充分搅拌,直到焦硫酸钠完全溶解(焦硫酸钠易溶于水,但大块熔块溶解较慢,因此需要较长的时间才能完全溶解),将溶液稀释到100ml,即配制成相当于约3mol/L—4mol/L的硫酸氢钠溶液,或者也可认为相当于约1.5mol/L—2mol/L的稀硫酸。
用大具支试管装配一个简易氢气发生器,在具支试管中装入适量锌粒(杂锌更好),在小烧杯中倒入前面配制好的硫酸氢钠溶液约30ml,加入一药匙左右的食盐(NaCl)作为催化剂,搅拌待食盐溶解后,将混合溶液倒入具支试管,反应立即开始,塞好橡皮塞,随着锌粒表面活化,加之反应放热导致升温,反应速度会逐渐加快,数分钟内达到较为剧烈的程度,氢气大量发生,验纯后即可进行氢气性质的实验,反应如下:
Zn+2NaHSO4=Na2SO4+ZnSO4+H2↑
实验证明使用硫酸氢钠溶液代替稀硫酸,与锌反应制取氢气,效果较为满意。如果在“家庭化学实验箱”中提供固体硫酸氢钠或者焦硫酸钠试剂,用于代替柠檬酸等有机酸,可以明显提升实验的实用价值。固体硫酸氢钠或者焦硫酸钠试剂的潜在危险性,相对硫酸、盐酸等强酸液体试剂也要小一些。
注意:
1、硫酸氢钠较浓溶液与锌的反应可以达到较为剧烈的程度,如果用镁等更活泼金属代替锌,氢气发生速度会更快,但反应也会更加剧烈,要防止反应失控。
2、氯离子(Cl-)对很多金属表面的氧化膜都有较强的穿透和破坏作用,因此可以活化金属表面加快反应速度,加之氯离子对很多金属离子有较强的配位能力,能进一步加快反应速度,这就是为什么盐酸与锌反应比稀硫酸与锌反应更剧烈的原因,也是为什么本实验中加入NaCl作为催化剂的原因,如果使用含杂质较多的杂锌,也可不加。
3、硫酸氢钠溶液浓度不宜太高,否则反应一段时间后容易析出较多的硫酸钠晶体,反而影响锌粒与硫酸氢钠溶液的接触,进而影响反应速度。
附:实验效果照片(氢气性质实验已经做完,反应后期反应速度有所下降)
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