Многоликость серной кислоты
Что делают разбавленную и концентрированную серную кислоту разными реагентами? Как показывает приземленная педагогическая практика, данный вопрос гарантированно сажает в лужу современных учеников и студентов химических факультетов. Даже отличников с медалистами.
Разница продуктов при взаимодействии некоторого реагента (обычно металла) с разбавленной и концентрированной серной кислотой обязательно показана во всех линиях современных учебников по химии (Еремин, Кузнецова, Габриелян), присутствует на ЕГЭ и ОГЭ, часто фигурирует на олимпиадах как один из один из фрагментов усложненной задачи.
Конечно, в пособиях и на уроках приводятся некоторые мантры из разряда
"концентрированная серная кислота является более сильным окислителем", "в разбавленной кислоте окислителем является водород" и т.д., однако этого как-то не хватает для придания юным химическим гениям чувства уверенности. Последующий коронный вопрос "почему?" уже наверняка лишает ученика дара речи и завершает оценочное собеседование.
Здесь я приведу очень простое и понятное объяснение, которое поможет ощутить ситуацию предметно, поспособствует лучшему запоминанию различия между концентрированным и разбавленным реагентом, которое мы эмпирически наблюдаем. Не то чтобы данный феномен являлся каким-то секретом профессиональных ученых и требовал глубокого, лукавого умствования, но я уже не помню, когда мне вразумительно объясняли разницу между концентрированным и разбавленным состоянием кислоты в последний раз.
Итак, начнем с осознания того, что в реакции присутствует не чистое вещество (серная кислота), а ее смесь с водой. В уравнениях же воду слева не пишут, потому что она уже есть справа как закономерный продукт восстановления концентрированной серной кислоты. У школьников складывается впечатление, что воды вначале вовсе нет, и никто ее в рассуждения не включает. А стоило бы. В концентрированной кислоте воды поменьше, а в разбавленной побольше. Вот и все различия. Теперь кажется логичным сравнить две системы: серная кислота + мало воды (концентрированная) и серная кислота + много воды (разбавленная).
Вода и серная кислота обильно образуют водородные связи, которые стабилизируют смесь. Чем больше водородных связей, тем более устойчивая система перед нами. Чем более устойчивая система, тем менее активный это реагент, менее агрессивный окислитель. Жаль, что ни в школе, ни в университете химические реакции с таких позиций не рассматриваются. Было бы проще понимать суть. Маленькие молекулы воды в разбавленной серной кислоте полностью окружают сульфат-анион (равно как и гидроксоний), энергетически стабилизируют частицы окислителя. В концентрированной же серной кислоте такая стабилизация не происходит из-за недостатка водородных связей. Именно поэтому серной кислоте так невыносимо противно находиться в концентрированном состоянии. Она стремится к химическому взаимодействию, чтобы изменить форму существования своих атомов. Продукт при этом определяется активностью второго реагента.
В разбавленной серной кислоте сульфат-анион вообще не играет роль окислителя. Он безропотно переходит в распоряжение металла, не изменяя степеней окисления на атомах кислорода и серы. Окислителем в таких реакциях выступает катион водорода. Он тоже отлично в разбавленной серной кислоте гидратирован, однако во многих ситуациях (смотри ряд электрохимической активности) хватает и этого. Со многими неметаллами разбавленная серная кислота также не взаимодействует. А все дело попросту в водородных связях и их количестве.