01二氧化硫為什么能使品紅褪色?
中學階段,當我們學習二氧化硫的時候會知道,二氧化硫具有漂白性,可以使品紅溶液褪色,這是因為二氧化硫與品紅結合生成了無色的物質,而這種無色物質不穩定,因此加熱后溶液會恢復紅色。那大家到底有沒有好奇過,二氧化硫與品紅結合生成了什么物質,為什么生成這種物質后品紅就褪色了呢?
這就要從品紅的結構說起了,中學所說的品紅一般指堿性品紅,它的結構如圖1所示。
圖1:堿性品紅的結構
一般來說,有機物具有顏色,往往是因為具有生色基,而品紅的生色基正是
, 所以只要破壞了該結構,就可以使品紅變為無色。當二氧化硫通入品紅溶液后,其先與水反應生成亞硫酸,然后亞硫酸又與品紅反應生成了一種無色的物質,從而使品紅溶液褪色。這個反應在有機中屬于加成反應,在無機中屬于化合反應,因此二氧化硫的漂白原理被稱為化合漂白。但生成的無色物質并不穩定,加熱后會分解為品紅和亞硫酸,因此又會恢復紅色。
圖2:二氧化硫使品紅褪色的原理
另外由于品紅的生色基中含有碳碳雙鍵,所以氯氣、次氯酸等可以破壞雙鍵的強氧化劑也能使品紅溶液褪色,所以被稱為氧化漂白。
02酚酞試劑為什么遇堿可以變紅?
酸堿指示劑一般是多元弱酸或多種多元弱酸的混合物,多元弱酸在不同的pH條件下會呈現不同的結構,因此可以實現隨pH變化而變色的功能。以酚酞為例,其分子式為C20H12O4,在弱酸性及中性環境下為圖3中的第二種內酯式結構,也就是我們常見的無色的酚酞。當遇到堿時,分子內的酯基水解,轉變為圖3中的第三種醌式結構,可以發現其中含有
基團,有沒有覺得很熟悉呢?沒錯,它就是酚酞中的生色基,因此酚酞在堿性條件下可以呈粉紅色。
事實上,酚酞的可能結構并不止這兩種,在更高的pH條件下,氫氧根可以加成到酚酞的雙鍵上,再次破壞了酚酞的生色基,形成圖3中的第四種羧酸鹽式結構,從而使酚酞再次恢復無色。此外,在強酸性條件下,分子內的酯基也會水解,形成圖3中第一種碳正離子結構,該結構中雖然沒有典型的生色基,但是由于中心碳原子采取的是sp2雜化,使得三個苯環處于同一平面內,形成了大的共軛體系,從而使得酚酞呈現出橘紅色。
圖3:酚酞在不同pH下的結構及顏色
03強酸的電離能力真的完全相同嗎?
HCl、HNO3、HClO4等是我們中學常見的強酸,在水中是完全電離的,這意味著它們的酸的強度是相同的。但是,如果我們學習過元素周期律之后就會知道,同周期元素從左到右,非金屬性逐漸增強,最高價氧化物的水化物的酸性也逐漸增強,那么理論上來說,HClO4的酸性應當是比H2SO4要強的,但為什么它們卻都是強酸呢?
以鹽酸為例,其電離方程式一般可寫成HCl=H Cl–,但是我們不要忘記,這其實是一種簡化的寫法,質子在水中是不可能單獨存在的,酸在水中電離出氫離子是與水分子相互作用的結果,即水分子奪取了酸中的質子形成水合氫離子,才使得酸呈現出“酸性”。因此我們可以大膽推測,強酸之所以在水中完全電離,是因為水分子奪取質子的能力“過強”,如果我們換一種能力稍弱的溶劑,在水中具有相同強度的“強酸”是否還都能完全電離呢?
實驗中,當我們把HCl、HBr、HI分別溶于甲醇之后,由于甲醇奪取質子的比水弱,因而等濃度的上述三種溶液的甲醇化質子(C H3 OH2 )的濃度并不相同,這說明所謂的強酸之間的電離能力也是有差別的。經過在多種非水溶劑中的測定,已經證明,水中一些常見的強酸的強度順序為:HClO4>HI>HBr>HCl>HNO3>H2SO4(一級電離)。
溶劑(如水)將酸的強度拉平的效應稱為拉平效應,該溶劑也稱拉平溶劑;溶劑(如甲醇)使酸的強度得以區分的效應稱為區分效應,該溶劑也稱區分溶劑。一種溶劑在面對不同的酸時可能呈現出不同的效應,如水是HCl、HBr、HI的拉平溶劑,卻是HCl、CH3COOH、HCN的區分溶劑。
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