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背景介绍

”(浓盐酸和浓硝酸3∶1混合)可以融化金子,人们不得不感叹一句:“真不愧是强酸混合物啊!” 在很长的一段时间内,人们认为王水就是酸中之王了,因为即使是黄金,遇到王水很快就会消失。那如果现在告诉你,有一种无机酸的酸性比王水还强,不仅如此,这种酸还可以和饱和烃反应,你会信么?故事还要从几十年前说起,G.A.Olah教授和他的学生在做着化学实验的时候,一个学生好奇地把蜡烛伸进了一种无机溶液,没想到由饱和烃组成的蜡烛竟然被这种无机溶液溶解了!要知道饱和烃通常是不会与无机酸发生反应的,毕竟是两个类别。但是这个学生竟然在无意中用这种无机溶液溶解了蜡烛。无机溶液竟然可以溶解饱和烃吗?奥莱教授把这种无机溶液称为“魔酸”(氟锑磺酸SbF5·HSO3F),也就是后来我们所说的超强酸

在奥莱教授和他的学生发现之后,我们已经找到多种不同状态的超强酸。也就是说,超强酸不是一种物质的代称,而是一类物质。超强酸能使烷烃、烯烃等有机物发生一系列化学变化,这是普通的无机酸难以做到的。超强酸也因为这些不可思议的化学反应成为强酸中的强酸。也正是因为有了超强酸,之前无法实现的化学反应就可以借助超强酸的环境,使反应能在较温和的条件下顺利发生。下面让我们一起来看看超强酸——高氯酸吧!

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正文

高氯酸的酸性比硫酸强,在常温常压下,它是一种无色透明发烟的液体,能与水以任何比例相溶,氧化性比硫酸还强,具有强腐蚀性,甚至能破坏有机材料,皮肤如果不慎接触,也会腐蚀皮肤。100%的高氯酸极不稳定,常压下一般只能制得水合物,适合在低温状态下贮存。高氯酸作为六大无机酸之首,其强氧化性不仅能直接与铁、铜、锌等反应生成对应氧化物,与P2O5反应生成Cl2O7,甚至还能将单质磷和硫直接氧化成磷酸和硫酸,这也说明高氯酸的氧化性是很强的,竟然可以把单质直接氧化成酸。

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图一,高氯酸的球棍模型(图源网络)

高氯酸具有的这些性质,尤其是可以与有机物反应,也决定了它的用途。高氯酸广泛用于化学分析试剂如:采用水热合成法,以HClO4为介质之一合成有序介孔分子筛SBA-15[1],高氯酸脱水重量法结合钼蓝分光光度法测定富钾板岩中二氧化硅[2],高氯酸消解ICP-OES测定炭复合磷酸铁锂中的锂、铁、磷[3],高氯酸非水滴定法可以测定酱油中氨基酸态氮含量[4]等等。

高氯酸不仅在化学分析试剂中有巨大作用,在工业中高氯酸也是常用的化学试剂,比如,高氯酸不仅可以用来分解有机物、钢铁炉前的快速分析,在塑料工业中,质量分数为50%的高氯酸能够用作丙烯腈聚合物的溶剂,还可以用于制造电池、医药、炸药等 [5]。基于硅胶负载高氯酸(HClO4-SiO2)能够高效合成固氮螺菌四糖重复单元,且合成步骤短、种类少、反应后处理简单[6]。前面的举例可以看出,高氯酸是超强酸,在实验和工业中是非常好的试剂,可以更好地促进反应的发生。

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图二,烟花图片(图源网络)

高氯酸不仅有广泛的用途,其衍生物在化学和生活中也有大量应用。比如,高氯酸钾用于炸药、焰火及安全火柴的生产,节日所放的烟花中就含有高氯酸钾,高氯酸钾还可以用作火箭推进剂、发光信号剂、发烟剂、引火剂、氧化剂和化学分析试剂,还用作热解、利尿等药剂。[7]高氯酸钠主要用于制造高氯酸或其他高氯酸盐,还用于火药工业。[8]

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图三,高氯酸钾图片(图源网络)

高氯酸虽然危险,但却是化学和工业常用试剂,那么高氯酸是如何生产的呢?工业上使用电解氯酸钠的方法生产高氯酸钠,高氯酸钠再和稀盐酸发生反应,从而制得高氯酸,化学方程式为:

NaClO₃+H2O→NaClO₄+H₂↑

NaClO₄+HCl→HClO₄+NaCl

高氯酸也可由高氯酸钠和浓硫酸经复分解反应制备:

NaClO₄+H2SO₄(浓)→NaHSO₄+HClO₄(易爆)

还有高氯酸钡和硫酸反应过滤,以及用硝酸氧化氯酸铵都可制备高氯酸,高氯酸的制备途径很多,但是高氯酸不稳定,易发生爆炸。

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图四,工业制备高氯酸流程图

但是随着人们对高氯酸盐的广泛应用,不可避免地带来了环境问题。高氯酸盐的过多使用造成了水体污染,高氯酸盐经饮用水或食物链进入人体后,会迅速通过肠胃进入血液,直接危害了人类的生命健康。[9]为了应对与解决日益严重的高氯酸盐水体污染问题,科学家们研究并开发了多种控制手段与修复技术,主要包括物理法、化学法、生物法和组合工艺等。[10]通过多种手段来解决高氯酸盐造成的水体污染问题。

高氯酸作为六大强酸之首,自发现之日起,由于其可以连接无机和有机,这使得它为化学和生活做出了巨大贡献。高氯酸的衍生物在生活中也是频繁应用,所以化学的发现总要应用于生活,使人类的生活更加便利,幸福。