“硅酸鈉與鹽酸反應”最佳實驗條件的探究

2008-12-31 00:00:00陽智純

化學教學 2008年7期

摘要：針對硅酸鈉與鹽酸反應演示實驗中存在的問題，利用正交設計原理，進行實驗探究，得出優化的實驗條件，使實驗快速且現象明顯，以滿足課堂教學的需要。

關鍵詞：凝膠；正交設計；最佳實驗條件

文章編號：1005－6629(2008)07－0011－03中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：C

普通高中課程標準實驗教科書《化學(必修)1》，人教版第76頁將“硅酸鈉與鹽酸反應”的實驗作為演示實驗寫入新教材，實驗內容為：“在試管中加入3-5mL Na₂SiO₃溶液(飽和Na₂SiO₃溶液按1∶2或1∶3的體積比用水稀釋)，滴入1-2滴酚酞溶液，再用膠頭滴管滴加入稀鹽酸，邊加邊震蕩，至溶液紅色變淺并接近消失時停止。靜置，仔細觀察變化過程及其現象[1]。顯然若實驗現象明顯，對于學生理解教材這部分知識是非常有用的。但在教材所述的操作方法和條件下，有時需要很長時間才能使溶膠慢慢凝聚，甚至不易形成凝膠，因而影響了實驗進度，課堂演示效果不理想。若能探究一個能在較短時間內觀察到明顯實驗現象的最佳實驗條件，則能使學生對硅酸鈉與鹽酸反應實驗原理有更深的理解和直觀感受，從而能大大提高教學效果。

1對該實驗的質疑

按教材所述方法進行實驗存在以下問題：

①教材所指“稀鹽酸”沒有說明具有濃度，是否任何濃度都可以？濃鹽酸不可以嗎？

②滴加稀鹽酸至紅色變淺并接近消失，需“靜置”多長時間才能產生明顯現象？是否一定能形成沉淀或凝膠？

③鹽酸環境下酚酞是無色的，若實驗得不到沉淀或凝膠能否根據顏色變化說明發生了反應？

筆者根據教材的描述進行實驗。

(分別將飽和硅酸鈉溶液以及1∶2、1∶3稀釋后的硅酸鈉溶液分別與稀鹽酸反應，前兩支試管中形成了沉淀，第三支試管中澄清，三支試管中都沒有形成凝膠)。

2實驗研究

針對教材中硅酸鈉與鹽酸反應的實驗，為了尋求較佳的實驗條件，以滿足課堂教學的需要，本人從以下幾個方面進行了研究：

2.1實驗原理：Na₂SiO₃+2HCl=H₂SiO₃↓+2NaCl

Na₂SiO₃溶液因水解而顯堿性，滴入酚酞試液呈紅色。加入鹽酸能使紅色褪去。同時因為鹽酸的酸性比硅酸強，反應生成硅酸。硅酸在不同的濃度、溫度和pH下，以不同的程度縮水聚合成各式硅酸，其結構有開鏈的、有環狀的、也有立體網狀的。其通式是xSiO₂·yH₂O。通常將硅酸寫成H₂SiO₃只是用它籠統地代表所有硅酸而已。形成硅酸凝膠不僅與溶膠的聚合度有關，也與其交連度有關，一般來說在各種硅酸中H₂O與SiO₂的比值越小，其交連度和聚合度就越大，即越容易凝聚[2]。

2.2 實驗用品：飽和硅酸鈉溶液、濃鹽酸、蒸餾水、酚酞試液，試管、膠頭滴管、量筒。

2.3試驗設計

選擇正交表：L₉(3⁴)

表1 因素與水平

(說明：表中序號1中的比值是指飽和硅酸鈉溶液與水的體積比，序號2中的比值是指濃鹽酸與水的體積比；溶液的酸堿性是指反應后混合物所處的環境，可用pH試紙測定。本實驗中用酚酞作指示劑。)

表2 實驗計劃表

2.4實施實驗并分析實驗結果

根據表2提供的實驗計劃進行實驗，并對每一次實驗結果進行評價。生成凝膠或出現沉淀的時間越短、生成凝膠效果越好，則記分越高。

表3 直觀分析表

從表3中“實驗結果”欄的數值看，按照實驗3的反應條件進行的實驗效果最好，即“飽和硅酸鈉、1∶5的稀鹽酸、堿性溶液、兩種溶液迅速混合”(實驗現象如圖1)。但是“兩種溶液迅速混合”，需要通過其他方式確定混合成堿性溶液時兩種溶液各自所需的體積，因而操作起來比較麻煩。而且表中4列中與滴加順序關聯的“均值2”大于“均值3”，所以選用“先加鹽酸”進行實驗的效果應該更好；3列中與溶液酸堿性關聯的“均值2”與“均值3”非常接近，所以選用“中性溶液”進行實驗的效果應該也不錯；從表3中“極差”可以看出，溶液酸堿性的極差為16.667，遠大于其他因素，因而實驗成功的關鍵應該是把握好溶液的酸堿性。其次是硅酸鈉的濃度，極差為9.667。而鹽酸溶液的濃度、滴加順序對實驗結果的影響相對較小，實驗中可以根據便利的原則決定水平數。