“硅酸钠与盐酸反应”最佳实验条件的探究

摘要：针对硅酸钠与盐酸反应演示实验中存在的问题，利用正交设计原理，进行实验探究，得出优化的实验条件，使实验快速且现象明显，以满足课堂教学的需要。

关键词：凝胶；正交设计；最佳实验条件

文章编号：1005－6629(2008)07－0011－03中图分类号：G633.8 文献标识码：C

普通高中课程标准实验教科书《化学(必修)1》，人教版第76页将“硅酸钠与盐酸反应”的实验作为演示实验写入新教材，实验内容为：“在试管中加入3-5mL Na2SiO3溶液(饱和Na2SiO3溶液按1∶2或1∶3的体积比用水稀释)，滴入1-2滴酚酞溶液，再用胶头滴管滴加入稀盐酸，边加边震荡，至溶液红色变浅并接近消失时停止。静置，仔细观察变化过程及其现象[1]。显然若实验现象明显，对于学生理解教材这部分知识是非常有用的。但在教材所述的操作方法和条件下，有时需要很长时间才能使溶胶慢慢凝聚，甚至不易形成凝胶，因而影响了实验进度，课堂演示效果不理想。若能探究一个能在较短时间内观察到明显实验现象的最佳实验条件，则能使学生对硅酸钠与盐酸反应实验原理有更深的理解和直观感受，从而能大大提高教学效果。

1对该实验的质疑

按教材所述方法进行实验存在以下问题：

①教材所指“稀盐酸”没有说明具有浓度，是否任何浓度都可以？浓盐酸不可以吗？

②滴加稀盐酸至红色变浅并接近消失，需“静置”多长时间才能产生明显现象？是否一定能形成沉淀或凝胶？

③盐酸环境下酚酞是无色的，若实验得不到沉淀或凝胶能否根据颜色变化说明发生了反应？

笔者根据教材的描述进行实验。

(分别将饱和硅酸钠溶液以及1∶2、1∶3稀释后的硅酸钠溶液分别与稀盐酸反应，前两支试管中形成了沉淀，第三支试管中澄清，三支试管中都没有形成凝胶)。

2实验研究

针对教材中硅酸钠与盐酸反应的实验，为了寻求较佳的实验条件，以满足课堂教学的需要，本人从以下几个方面进行了研究：

2.1实验原理：Na2SiO3+2HCl=H2SiO3+2NaCl

Na2SiO3溶液因水解而显碱性，滴入酚酞试液呈红色。加入盐酸能使红色褪去。同时因为盐酸的酸性比硅酸强，反应生成硅酸。硅酸在不同的浓度、温度和pH下，以不同的程度缩水聚合成各式硅酸，其结构有开链的、有环状的、也有立体网状的。其通式是xSiO2・yH2O。通常将硅酸写成H2SiO3只是用它笼统地代表所有硅酸而已。形成硅酸凝胶不仅与溶胶的聚合度有关，也与其交连度有关，一般来说在各种硅酸中H2O与SiO2的比值越小，其交连度和聚合度就越大，即越容易凝聚[2]。

2.2 实验用品：饱和硅酸钠溶液、浓盐酸、蒸馏水、酚酞试液，试管、胶头滴管、量筒。

2.3试验设计

选择正交表：L9(34)

表1 因素与水平

(说明：表中序号1中的比值是指饱和硅酸钠溶液与水的体积比，序号2中的比值是指浓盐酸与水的体积比；溶液的酸碱性是指反应后混合物所处的环境，可用pH试纸测定。本实验中用酚酞作指示剂。)

表2 实验计划表

2.4实施实验并分析实验结果

根据表2提供的实验计划进行实验，并对每一次实验结果进行评价。生成凝胶或出现沉淀的时间越短、生成凝胶效果越好，则记分越高。

表3 直观分析表

从表3中“实验结果”栏的数值看，按照实验3的反应条件进行的实验效果最好，即“饱和硅酸钠、1∶5的稀盐酸、碱性溶液、两种溶液迅速混合”(实验现象如图1)。但是“两种溶液迅速混合”，需要通过其他方式确定混合成碱性溶液时两种溶液各自所需的体积，因而操作起来比较麻烦。而且表中4列中与滴加顺序关联的“均值2”大于“均值3”，所以选用“先加盐酸”进行实验的效果应该更好；3列中与溶液酸碱性关联的“均值2”与“均值3”非常接近，所以选用“中性溶液”进行实验的效果应该也不错；从表3中“极差”可以看出，溶液酸碱性的极差为16.667，远大于其他因素，因而实验成功的关键应该是把握好溶液的酸碱性。其次是硅酸钠的浓度，极差为9.667。而盐酸溶液的浓度、滴加顺序对实验结果的影响相对较小，实验中可以根据便利的原则决定水平数。

基于上述分析，现进行下列补充实验：

2.5补充实验

2.5.1 因素和水平：饱和硅酸钠溶液、1∶5的稀盐酸、碱性环境、先加盐酸再逐滴加硅酸钠溶液。

2.5.2 操作：取2mL稀盐酸(1∶5)于试管中，滴1-2滴酚酞试液，逐滴加入饱和硅酸钠溶液，边加边震荡。

2.5.3现象：当溶液变成粉红色时立即生成了凝胶，如图2所示。

3 结论

硅酸钠与盐酸反应的较佳实验条件是:

(1)试剂和仪器：饱和硅酸钠溶液，1∶5的稀盐酸(浓盐酸与水的体积比为1∶5)，酚酞试液；试管，胶头滴管。

(2)操作要求：先向试管中加入2-3mL稀盐酸，滴入1-2滴酚酞试液，逐滴加入饱和硅酸钠溶液，边加边振荡试管，至无色溶液变成粉红色的凝胶。

(3)成功的关键：控制好混合物的pH，是制得硅酸凝胶的成败关键[3]。

注意事项：

①要用指示控制制好混合物的酸碱性至中性或弱碱性(pH最好控制在7-10)；

②硅酸钠溶液能吸收空气中的CO2而变质，所以应该在使用前配制；

③向盐酸中滴加硅酸钠溶液时要边加边振荡，这样才能形成均匀的凝胶。

4 分析

通过上述实验，获得了硅酸钠与盐酸反应的较佳实验条件，但是不能估计实验过程中存在的误差大小，实验结果评价中的评分也必然存在误差。需要进行补充分析和方差分析，以弥补其不足：

开始选择水平时，难免对有的因素的用量估计不准，下面是根据实验进行的因素指标的分析所得的效应曲线图(图3)。

从图3可以预测，本实验使用浓度更小的盐酸(如1∶6的稀盐酸)可能更好。硅酸钠溶液则适合用浓溶液，若通过加热等方式增大硅酸钠饱和溶液的浓度应该更易生成硅酸凝胶。所以，实验时气温的高低也可能直接影响实验结果。

上述分析需要进行补充实验加以验证。

另外，上面的实验没有考虑交互作用，也没有证据证明它们不发生交互作用。所以这里也可能存在误差。

若用其他酸代替盐酸，也必须有一定的条件，还有待于进一步研究。

参考文献：

[1]宋心琦.普通高中课程标准实验教科书化学1[M].人民教育出版社，2007.

[2]王程杰.中学化学实验研究[M].上海：华东师范大学出版社, 2004.

[3]刘正贤.中学化学实验大全[M].上海：上海教育出版社，1994.