硫酸不會和硅酸鹽生成硅酸嗎


仔細看一點也不可笑的問題。玻璃瓶裝酸的時候,SiO2 表面也一定會水合,毫無疑問。表面水合,就足以改變很多事情,並不需要體相也參與反應。所以問題在於水合之後發生了什麼。

水溶液中的 SiO2 表面的硅醇集團

高中的時候解釋為什麼不能用玻璃瓶裝 NaOH 溶液是因為裝 NaOH 溶液時 NaOH 和 SiO2 反應生成了 Na2SiO3 會把瓶塞粘住,但這不是一個很完美的理由,起碼話沒說完。小分子不變成大分子是不能起到粘合劑的作用的 (大氣壓力等原因導致的難以分離不算)。更好的解釋應該是裝鹼時玻璃瓶塞和瓶子粘在一起是因為發生了 SiO2 的縮聚合:

這個縮聚合可能是一個 SN2 反應,帶負電荷的 O 進攻帶正電荷的 Si,所以反應是鹼催化的:

未標註的原子是 Si

結論:

裝 NaOH 溶液時玻璃瓶子和瓶塞粘結在一起是因為 SiO2 水合併在鹼催化下縮聚所致。

NaOH 和玻璃反應生成的 Na2SiO3 幫助填滿了瓶子和瓶塞之間的間隙,使得縮聚能在更多的位點發生。就是說 Na2SiO3 也能和玻璃表面的硅醇基團縮合,這樣 SiO2 就在表面生長,不大的空隙會被這種生長填滿。

非貴金屬的表面也有羥基存在,因此 Na2SiO3 也能用於粘結金屬和玻璃。

中性或酸性條件下縮聚反應速度很低,也不會有 Si 物種遷移來增加縮聚位點 (即使磨砂表面,相互接近到能發生化學反應的、分別位於瓶塞和瓶壁上的位點也是極少的),所以裝酸沒有問題。

另外,只有石英玻璃是 SiO2,一般的硅酸鹽玻璃中存在的是聚硅酸的三維網狀結構,上文的 SiO2 只是為了寫起來方便。


首先在高中階段,一般存放試劑所用的瓶塞主要有兩種,一種是玻璃塞,一種是橡膠塞。我們知道濃硫酸具有強氧化性,可以腐蝕橡膠塞,這是因為橡膠塞的主要組成元素為C,H,O三種元素。根據濃硫酸的脫水性,橡膠塞中的H,O元素會按照2:1的比例以H2O分子的形式脫出。因此,盛放濃硫酸我們採用磨砂玻璃塞。玻璃塞的主要成分為SiO2,它不與濃硫酸反應,至於玻璃塞中的硅酸鹽,它與硫酸反應主要有以下兩種情況H2SO4+Na2SiO3 = H2SiO3↓ + Na2SO4

H2SO4+Na2SiO3+H2O = H4SiO4↓(原硅酸) + Na2SO4

但是我們需要注意的是,利用上述反應來生成硅酸的過程,其本質是在溶液中H離子與SiO3根離子結成生成難溶性酸(H2SiO3)的過程。一般來說在質量分數為98%的濃硫酸中,水分子的量遠小於濃硫酸的量,所以濃硫酸的存在形式主要為硫酸分子,電離出氫離子的只有一小部分,而玻璃塞中的硅酸鹽也只是很小一部分,因此就可以採用玻璃塞。況且濃硫酸是穩定性酸,不具有揮發性,在日常存放過程中兩者不會相互接觸,因此我們用帶有玻璃塞的玻璃瓶盛放濃硫酸是沒有問題的。

PS:個人觀點,僅供參考,有任何學術方面問題的,請各位指正。


按這個說法,所有稀酸豈不是都不能用玻璃瓶裝了?

玻璃里的硅和氧結合成三維網狀結構,很難被破壞,因此玻璃成分中硅酸鹽的陰離子難以溶解在酸中。而二氧化硅本身就是三維網狀結構,其中的硅元素可以被氫氧根進攻而脫離網狀結構,因此可以被溶解。同理玻璃也可以被部分溶解。而溶解並不是完全單向的反應,一定程度上是可逆的,瓶口水會蒸發,溶液中的硅酸鹽重新析出,而析出的方式恰巧與溶解相反,是粘連在玻璃的硅酸鹽結構上。又因為瓶口磨砂的比表面積大,極易被粘連,所以會導致瓶口與瓶身無法分離的狀態。

需要注意到,如果把玻璃棒扔到燒杯里泡在濃氫氧化鈉中,同樣也不會粘連,這是因為比表面積很小。而一些濃度高的鹽溶液,如果溶液潤濕磨口,同樣會粘連,這是因為上方水蒸發,固體析出在磨口上,導致粘連。


鹼性條件SiO2溶解,變為硅酸根之後接觸到空氣中的CO2,變為硅酸分子,並進一步聚合為固體態的聚硅酸,將兩個表面粘在一起。

高贊答案並沒有提到CO2的作用,而這才是玻璃粘住的關鍵。另外Si不一定是走S_N2機理的,和C不同,Si因為有d軌道,配位數是可以超過4的。

硫酸不能溶解SiO2或者硅酸鹽,所以無法在兩個固體表面產生粘接作用的物質,所以不會粘住。


橡膠塞是有機物而且有不飽和度。所以有氧化性、腐蝕性的或是可以發生加成反應的物質都不可以用橡膠塞。

但是濃硫酸可以用玻璃塞子封,因為玻璃瓶的主要成分是二氧化硅,所以一般是鹼性的物質,如氫氧化鈉、碳酸鈉等鹼性物質都不可以用玻璃瓶。


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