01二氧化硫为什么能使品红褪色?

中学阶段,当我们学习二氧化硫的时候会知道,二氧化硫具有漂白性,可以使品红溶液褪色,这是因为二氧化硫与品红结合生成了无色的物质,而这种无色物质不稳定,因此加热后溶液会恢复红色。那大家到底有没有好奇过,二氧化硫与品红结合生成了什么物质,为什么生成这种物质后品红就褪色了呢?

这就要从品红的结构说起了,中学所说的品红一般指碱性品红,它的结构如图1所示。

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图1:碱性品红的结构

一般来说,有机物具有颜色,往往是因为具有生色基,而品红的生色基正是

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, 所以只要破坏了该结构,就可以使品红变为无色。当二氧化硫通入品红溶液后,其先与水反应生成亚硫酸,然后亚硫酸又与品红反应生成了一种无色的物质,从而使品红溶液褪色。这个反应在有机中属于加成反应,在无机中属于化合反应,因此二氧化硫的漂白原理被称为化合漂白。但生成的无色物质并不稳定,加热后会分解为品红和亚硫酸,因此又会恢复红色。

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图2:二氧化硫使品红褪色的原理

另外由于品红的生色基中含有碳碳双键,所以氯气、次氯酸等可以破坏双键的强氧化剂也能使品红溶液褪色,所以被称为氧化漂白。

02酚酞试剂为什么遇碱可以变红?

酸碱指示剂一般是多元弱酸或多种多元弱酸的混合物,多元弱酸在不同的pH条件下会呈现不同的结构,因此可以实现随pH变化而变色的功能。以酚酞为例,其分子式为C20H12O4,在弱酸性及中性环境下为图3中的第二种内酯式结构,也就是我们常见的无色的酚酞。当遇到碱时,分子内的酯基水解,转变为图3中的第三种醌式结构,可以发现其中含有

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基团,有没有觉得很熟悉呢?没错,它就是酚酞中的生色基,因此酚酞在碱性条件下可以呈粉红色。

事实上,酚酞的可能结构并不止这两种,在更高的pH条件下,氢氧根可以加成到酚酞的双键上,再次破坏了酚酞的生色基,形成图3中的第四种羧酸盐式结构,从而使酚酞再次恢复无色。此外,在强酸性条件下,分子内的酯基也会水解,形成图3中第一种碳正离子结构,该结构中虽然没有典型的生色基,但是由于中心碳原子采取的是sp2杂化,使得三个苯环处于同一平面内,形成了大的共轭体系,从而使得酚酞呈现出橘红色。

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图3:酚酞在不同pH下的结构及颜色

03强酸的电离能力真的完全相同吗?

HCl、HNO3、HClO4等是我们中学常见的强酸,在水中是完全电离的,这意味着它们的酸的强度是相同的。但是,如果我们学习过元素周期律之后就会知道,同周期元素从左到右,非金属性逐渐增强,最高价氧化物的水化物的酸性也逐渐增强,那么理论上来说,HClO4的酸性应当是比H2SO4要强的,但为什么它们却都是强酸呢?

以盐酸为例,其电离方程式一般可写成HCl=H Cl-,但是我们不要忘记,这其实是一种简化的写法,质子在水中是不可能单独存在的,酸在水中电离出氢离子是与水分子相互作用的结果,即水分子夺取了酸中的质子形成水合氢离子,才使得酸呈现出“酸性”。因此我们可以大胆推测,强酸之所以在水中完全电离,是因为水分子夺取质子的能力“过强”,如果我们换一种能力稍弱的溶剂,在水中具有相同强度的“强酸”是否还都能完全电离呢?

实验中,当我们把HCl、HBr、HI分别溶于甲醇之后,由于甲醇夺取质子的比水弱,因而等浓度的上述三种溶液的甲醇化质子(C H3 OH2 )的浓度并不相同,这说明所谓的强酸之间的电离能力也是有差别的。经过在多种非水溶剂中的测定,已经证明,水中一些常见的强酸的强度顺序为:HClO4>HI>HBr>HCl>HNO3>H2SO4(一级电离)。

溶剂(如水)将酸的强度拉平的效应称为拉平效应,该溶剂也称拉平溶剂;溶剂(如甲醇)使酸的强度得以区分的效应称为区分效应,该溶剂也称区分溶剂。一种溶剂在面对不同的酸时可能呈现出不同的效应,如水是HCl、HBr、HI的拉平溶剂,却是HCl、CH3COOH、HCN的区分溶剂。

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