結(jié)晶水合物的失水實驗

安徽省巢湖市一中孫純標老師認為在藍色的硫酸銅晶體中加入濃硫酸后變白，這一實驗現(xiàn)象說明了濃硫酸的吸水性還是脫水性，這在中學化學課本里并未涉及。為探究這一問題的正確答案和正確認識濃硫酸使結(jié)晶水合物失水的原因，這是擬從化學實驗和對原因的解釋兩個方面作了分析，結(jié)論想是顯而易見的。結(jié)晶水合物是一個廣義的概念，這里所討論的只限于水合鹽。

1．實驗操作步驟：

（1）在100ml錐形瓶中放入約半藥匙在研缽里經(jīng)過研細的藍色的硫酸銅晶體，在瓶底攤開。

（2）取16×75mm試管注入約5ml濃度為98%的濃硫酸（約占試管容積的1／2），用鑷子夾住試管口壁小心地放入錐形瓶中。

（3）用橡皮塞把錐形瓶口塞緊，為保證嚴密不漏氣，最好用石蠟把瓶口封好，放置一處。每隔適當時間觀察現(xiàn)象。

2．實驗結(jié)果：

約經(jīng)過24小時，可觀察到藍色晶體有變白現(xiàn)象，隨著放置時間的延長，顏色逐漸變白，一兩周后或經(jīng)過更長一些時間觀察，則完全變成白色或綠白色粉末。變化的速度與室溫高低也有關(guān)系。在高溫日子，晶體變白的實驗時間就縮短。

將這一實驗裝置置于50℃恒溫箱中，約一個小時即可看出有變白現(xiàn)象，24小時后則明顯變白，并與參照樣品作對比。

用比CuSO₄·5H₂O易于失水的FeSO₄·7H₂O來做這個實驗，由淺綠色變白的時間要短得多。

用在室溫下易于風化的Na₂SO₄·10H₂O來做這個實驗（為易于觀察現(xiàn)象宜取用無色的結(jié)晶體），約一節(jié)課的時間就明顯地看到晶體的表面上有白色粉末狀無水物生成，因而可考慮把這個實驗作為課上演示實驗。

3．原因解釋

結(jié)晶水合物失水的原因怎么解釋？已經(jīng)有過實驗證明并能測定，每一結(jié)晶水合物在一定溫度下都具有一定的水蒸氣壓，這就是該結(jié)晶水合物在此溫度下的平衡蒸氣壓。例如將五水合硫酸銅晶體置于真空管中，晶體立即開始失去水分，經(jīng)過一定的時間，管中的水蒸氣壓會達到一定值，如在25℃時，硫酸銅水合物達到各個平衡的蒸氣壓都已有測定，列于下表：

如果溫度增高，水合物將繼續(xù)失去一定的水分，平衡向右移動，蒸氣壓因而增加；相反的，在溫度下降時，平衡向左移動，蒸氣壓降低。下圖是硫酸銅水合物體系的溫度——壓力關(guān)系圖：

空氣中水蒸氣的普通含量為其飽和量的60%。如在25℃時，若空氣的相對濕度為50．5%，則空氣中的水蒸氣分壓等于12mmHg，大于7．8mmHg（但小于該溫度下硫酸銅飽和溶液的蒸氣壓22．5mmHg），CuSO₄·5H₂O能穩(wěn)定存在，而CuSO₄．3H₂O、CuSO₄·H₂O或CuSO₄在與空氣接觸時則會吸收空氣中的水蒸氣而變?yōu)镃uSO₄·5H₂O。如果在25℃時等溫減壓，當水蒸氣壓減小并保持在7．8mmHg以下時，五水合物即分解為三水合物CuSO₄·3H₂O。若水蒸氣壓進一步下降在5．1mmHg以下，三水合物就要分解為一水合物CuSO₄·H₂O，而到水蒸氣壓下隆至小于CuSO₄·H₂OCuSO₄＋H₂O（蒸氣）的平衡蒸氣壓時，一水合物最終分解為無水CuSO₄。怎樣來造成體系中的蒸氣壓下降呢？這就設計了上述的實驗。在實驗中利用濃硫酸具有強烈的吸水性來造成蒸氣壓不斷降低，這就相應的致使Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ式反應不斷地向右進行，所以CuSO₄·5H₂O不斷地失去結(jié)晶水最終變?yōu)榘咨臒o水硫酸銅。

在室溫下那些蒸氣壓大于空氣中水蒸氣分壓的一些結(jié)晶水合物如Na₂SO₄·10H₂O、Na₂CO₃·10H₂O、FeSO₄·7H₂O等，將它們置于空氣中就能逐漸失去一部分或全部結(jié)晶水（即風化），無須用濃硫酸來降低蒸氣壓。在實驗中之所以用濃硫酸來造成蒸氣壓下降，為的是加快水合物失水的反應速度，縮短實驗所需要的時間，以探究其作為演示實驗的可行性。

4．結(jié)論

實驗說明了一個無可爭辯的事實，這就是濃硫酸對于結(jié)晶水合物在發(fā)生失水作用時，它所吸收的是從晶體中游離出來的水，它使結(jié)晶水合物失水的現(xiàn)象只能說明濃硫酸的吸水性，而不是脫水性。我們不能想象用蔗糖替換水合鹽，來按上述的操作步驟進行實驗會發(fā)生蔗糖脫水炭化的現(xiàn)象。因此，我們在認識濃硫酸使結(jié)晶水合物失水所顯示的性質(zhì)是吸水性還是脫水性，不能拘泥于其形式上所吸收的是外部游離的水，還是水合晶體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的水一配位水和結(jié)構(gòu)水，而要看濃硫酸所吸收的是現(xiàn)成水（如游離的水分、濕存水、結(jié)晶水等），還是由于濃硫酸的作用從化合物組成中的氫、氧原子按2∶1比例脫下的水，這才是把握住實質(zhì)性所在。

CuSO₄·5H₂O的晶體結(jié)構(gòu)中Cu^2＋周圍配置著4個水分子和2個硫酸根離子，第5個水分子通過它的2個氫原子分別與2個的氧原子以氫鍵形成結(jié)合；又以氧原子上的2個孤對電子和配位水分子上的氫原子形成氧鍵而結(jié)合，從而最后形成CuSO₄·5H₂O晶體的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。由此可見，結(jié)晶水在其水合物的結(jié)構(gòu)中是以整個分子參與結(jié)合，其中的H—O鍵并沒有被破壞，類似于冰中的H₂O分子那樣仍然保存著它的個性。所以把濃硫酸加在藍色的硫酸銅晶體上，CuSO₄·5H₂O失去結(jié)晶水變成白色的無水CuS₄，濃硫酸所吸收的是現(xiàn)成H₂O分子而不是新生H₂O分子，這同樣是無疑地說明了濃硫酸的吸水性，而不是脫水性。

最后，需要說明的一點是，在有些“水合鹽”的晶體中，水實際上并不以H₂O分子的形式存在，而是以配位OH基的形式存在，例如組成表示為Ha₂SnO₃·3H₂O而實際上是Na₂［Sn（OH）₆］等，對于這些從表面上來看似乎是水合鹽而實際上是含有配位羥基的化合物，則另當別論。