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制备硅酸的实验研究?

来源:不详       更新时间:2013-11-09 15:47:00
 
    制备硅酸溶胶、硅酸凝胶是高中化学的两个重要实验。但往往实验不理想,得不到硅酸溶胶和凝胶。现谈谈我们研究这个实验的体会。
  
  一、实验方法
  
  1.制备硅酸溶胶
  
  向盛有适量1mol·L-1稀盐酸的试管里,逐滴加入适量饱和硅酸钠溶液,用力振荡,即得到无色透明硅酸溶胶。
  
  2.制备硅酸凝胶
  
  (1)向盛有少量饱和硅酸钠溶液的试管里,逐滴加入几滴浓盐酸,振荡,静置,即得到无色透明果冻状硅酸凝胶。
  
  (2)向盛有少量饱和硅酸钠溶液的试管里,慢慢通入二氧化碳或二氧化硫气体,一会儿可得到无色透明果冻状硅酸凝胶。
  
  (3)向试管里注入半试管水,通1min~2min二氧化硫气体,直至饱和,配成亚硫酸溶液备用。
  
  向盛有少量饱和硅酸钠溶液的试管里,滴入几滴酚酞试液,溶液呈红色,然后逐滴加入亚硫酸,振荡,待红色消失或接近消失时,迅速形成透明果冻状硅酸凝胶。
  
  (4)向盛有少量饱和硅酸钠溶液的试管里,滴入几滴酚酞试液,溶液呈红色,然后逐滴加入稀盐酸,振荡,至红色退到接近无色时,静置一会儿,即形成透明的硅酸凝胶。
  
  (5)向盛有少量饱和硅酸钠溶液的试管里,加入氯化铵的浓溶液,可以立即得到白色的硅酸凝胶。
  
  (6)向盛有少量饱和硅酸钠的试管里,加入氯化铝的浓溶液,可以立即得到白色的硅酸沉淀。
  
  (7)试管里盛有少量饱和碳酸氢钠溶液,滴入几滴酚酞试液作指示剂,溶液呈无色,然后逐滴加入硅酸钠溶液至混合液呈红色,同样析出硅酸沉淀。
  
  3.有关化学反应方程式
  
  Na2SiO3+2HCl=H2SiO3↓+2NaCl
  
  Na2SiO3+CO2+H2O=H2SiO3↓+Na2CO3
  
  Na2SiO3+SO2+H2O=H2SiO3↓+Na2SO3
  
  Na2SiO3+2CH3COOH=H2SiO3↓+2CH3COONa
  
  Na2SiO3+2NH4Cl+2H2O=H2SiO3↓+2NaCl+2NH3·H2O
  
  3Na2SiO3+2AlCl3+6H2O=3H2SiO3↓+2Al(OH)3↓+6NaCl
  
  Na2SiO3+2NaHCO3=H2SiO3↓+2Na2CO3
  
  二、实验研究
  
  1.硅酸是二元弱酸(K1=2×10-10,K2=1×10-12),酸性比碳酸还要弱。在可溶性的硅酸盐(硅酸钠、硅酸钾)溶液里加入强酸(盐酸、硫酸等)可得到硅酸。制备硅酸的反应比较复杂,反应先生成正硅酸(H4SiO4),然后转化为硅酸溶胶,若硅酸溶胶浓度大,可在一定条件下转化为硅酸凝胶。硅酸脱水可生成焦硅酸(H6Si2O7)及其他多硅酸。
  
  将硅酸凝胶脱水(加热),可得到白色透明的多孔性固体硅胶。硅胶对极性物质有较强的吸附作用,常用作干燥剂和吸附剂,也可作为催化剂的载体。
  
  2.硅酸钠与盐酸反应可能出现三种情况:
  
  (1)形成稳定的溶胶;(2)形成不稳定的溶胶;(3)生成凝胶沉淀。在实验过程中溶液的浓度、温度、反应混合溶液的酸碱度(pH)、试剂添加的顺序等,对产物都有很大的影响。
  
  3.反应混合溶液的酸碱度(pH)对产物的影响都很大,经实验研究有下列规律:
  
  (1)当混合溶液的pH为3~5时,可得到是室温下稳定的硅酸溶胶;加热该硅酸溶胶也不易凝聚,难以形成硅酸凝胶。如果再缓慢继续向该溶液里加入硅酸钠溶液,当pH调到约为8~9时,则有白色胶状硅酸凝胶沉淀。
  
  (2)当混合溶液的pH为6~7时,可以得到不稳定的硅酸溶胶。用这种硅酸溶胶做丁达尔胶体实验,现象很明显。将该硅酸胶体稍稍加热,就会立即得到白色胶状硅酸凝胶沉淀。
  
  (3)当混合溶液的pH为8~9时,迅速生成稳定的硅酸溶胶,这种溶胶迅速凝聚,很快将整个混合物凝结成一种果冻的胶状物质。
  
  (4)硅酸钠是强碱弱酸盐,它能与强酸(盐酸、硫酸)、H2SO3,H2CO3等反应,生成酸性更弱的硅酸。硅酸钠溶液显强碱性,它也能与显酸性的盐(NH4Cl,AlCl3等)溶液发生水解反应,生成硅酸沉淀。
  
  硅酸钠、碳酸氢钠溶液都显碱性,它们之间也能反应生成硅酸沉淀,这是因为硅酸钠溶液里的SiO32-只能水解,而碳酸氢钠里的HCO3-既能水解又能电离:
  
  SiO32-+H2O=HSiO3-+OH-  Kh1=1.0×10-2
  
  HSiO3-+H2O=H2SiO3+OH-  Kh2=5.0×10-3
  
  HCO3-+H2O=H2CO3+OH-  Kh2=2.3×10-8
  
  HCO3-+H2O=H3O++CO32-  K2=5.6×10-11
  
  硅酸根离子的水解程度比碳酸氢根的水解程度大得多,硅酸根水解生成的氢氧根离子抑制了碳酸氢根的水解,迫使碳酸氢根电离,从而促进了硅酸钠和碳酸氢钠溶液反应,生成了硅酸沉淀。
  
  (5)在制备硅酸溶胶、凝胶时可以不断准确控制好溶液的酸碱度(pH),以生成溶胶或生成硅酸凝胶。通常是先制备稳定的硅酸溶胶(pH为3~5),再逐滴加入少量硅酸钠溶液,制备不稳定的硅酸胶体(pH为6~7),稍稍加热,或再加入几滴硅酸钠溶液,就会立即转化为硅酸溶胶。
  
  若要制备硅酸凝胶,可在硅酸钠溶液里加1滴~2滴酚酞溶液,溶液显红色,然后加入酸性物质(HCl,H2SO4,SO2,CO2,NH4Cl,AlCl3等)待红色消失或接近消失时,迅速形成透明果冻状硅酸凝胶。这种方法操作简单,迅速准确,现象明显,效果好。
  
  文章来源:《中学化学教学参考》
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