淺析硅酸鹽玻璃的化學(xué)處理研究進(jìn)展

【摘要】氫氟酸溶液經(jīng)常被用于硅鹽酸玻璃的表明處理中，它的化學(xué)處理形式是化學(xué)界關(guān)注的焦點(diǎn)。本文淺析總結(jié)了氫氟酸溶液電離的原理、電離產(chǎn)物的作用、以及有關(guān)的平衡常數(shù)，揭示了HF-SiO2的反應(yīng)的動力學(xué)、研究模型、以及反應(yīng)的公式和反應(yīng)原理?；谀壳皩杷猁}玻璃的化學(xué)處理研究得出，硅酸鹽玻璃在強(qiáng)酸混合溶液或者在高濃度的氫氟酸溶液中的化學(xué)反應(yīng)，將會是化學(xué)研究的重要內(nèi)容。

【關(guān)鍵詞】氫氟酸；反應(yīng)原理；研究進(jìn)展；平衡常數(shù)；動力學(xué)原理

硅酸鹽玻璃在生活中運(yùn)用廣泛，它被應(yīng)用在建筑行業(yè)、汽車制造、以及航空和航天等領(lǐng)域，硅酸鹽玻璃之所以應(yīng)用這么廣泛，得益于它自身的特點(diǎn)：硅酸鹽玻璃具有很好地透光性、加工過程簡單、較強(qiáng)的化學(xué)穩(wěn)定性等特點(diǎn)。在常溫下，硅酸鹽玻璃僅溶于氫氟酸或者是含有氫氟酸的液體，所以在工業(yè)生產(chǎn)中就經(jīng)常用到含有氫氟酸的液體來處理硅鹽酸玻璃，來達(dá)到更好的效果，這個(gè)過程就被稱作硅酸鹽的化學(xué)處理。

硅酸鹽玻璃的化學(xué)處理就是指硅酸鹽玻璃在氫氟酸或者含有氫氟酸溶液中的溶解反應(yīng)，它的反應(yīng)過程主要是氫氟酸破壞硅氧的結(jié)構(gòu)，Si-O鍵破裂，形成Si-F鍵，就產(chǎn)生了玻璃溶解的情況。雖然在1771年就發(fā)現(xiàn)了氫氟酸，而且硅酸鹽和氫氟酸相互作用也被廣泛的使用到各個(gè)領(lǐng)域，但是并沒有完整確性的結(jié)論，在對于玻璃結(jié)構(gòu)和氫氟酸等存在很大的爭議。硅酸鹽玻璃和氫氟酸溶液的反應(yīng)，對現(xiàn)實(shí)生活具有很大的現(xiàn)實(shí)意義。本文就重點(diǎn)研究了硅酸鹽玻璃和氫氟酸的化學(xué)反應(yīng)。

一、氫氟酸的電離

氫氟酸是屬于弱酸的一種，它是因?yàn)镠-F共價(jià)鍵的高度性和HF分子之間的氫鍵，致使氫氟酸具有很強(qiáng)的穩(wěn)定性，而且它在溶液中的電離程度非常的低。氫氟酸溶液的電離方程式有兩個(gè)即：1：HF=H++F-，2：HF+F-=HF-2

很多的專家們認(rèn)為當(dāng)氫氟酸溶液的濃度小于1mol/L時(shí)，溶液中就包含了電離的HF分子；而有一部分專家則認(rèn)為在氫氟酸的溶液中HF分子只存在于二聚反應(yīng)，說明在氫氟酸的電離中有二聚分子的存在。經(jīng)過對電離的研究，有人還提出了其他的電離方程式，而且提出了平衡的常數(shù)。在很多的氫氟酸液體中，都多次證明了聚合離子的存在。

二、反應(yīng)動力學(xué)

近些年來人們加大了對動力學(xué)的研究，得出了很多的倫理研究的反應(yīng)形式和反應(yīng)規(guī)律，但是一直是處于沒有形成的明確的結(jié)論，氫氟酸和二氧化硅的反應(yīng)成為了眾多專家研究的重點(diǎn)。氫氟酸中的分子對二氧化硅并沒有溶解性。而H+能夠?qū)Υ嬖谟跉浞岜砻娴亩趸杵鸬酱呋淖饔?。在一些文獻(xiàn)資料中，可以知道F-對二氧化硅并不存在腐蝕作用。在1930年就已經(jīng)證明了氫氟酸在腐蝕二氧化硅時(shí)候，腐蝕的速度和攪拌的速度無關(guān)的，經(jīng)過多次的研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)氫氟酸溶液濃度小于1.5mol/L時(shí)，反應(yīng)的級數(shù)趨于接近1，而溫度升高時(shí)，反應(yīng)的速度加快。在研究混合酸液對鉀長石和鈉長石的腐蝕之后，得出混合酸液中只有電離的HF分子和二氧化硅之間的反應(yīng)，而氫氟酸的分子H-和HF-2對這個(gè)反應(yīng)過程并沒有參與。在使用混合酸液對于含有二氧化硅的礦物質(zhì)，例如石英、鉀長石、蒙脫石、高嶺石等進(jìn)行腐蝕時(shí)，研究分析之間產(chǎn)生了催化過程。在HF和混合強(qiáng)酸液體中，氟離子在其中參與可以不計(jì)，這是因?yàn)榉x子的含量少，而在反應(yīng)的過程里，氟離子的存在形式是以HF為存在形式的。在隨著H+的含有量的加大，酸性液體中其他的離子含量保持不變，二氧化硅的溶解速度在不斷地提高，在這個(gè)過程里H+的含量一點(diǎn)都沒有減少，說明在這個(gè)過程中沒有得到消耗，也就是說H+在反應(yīng)中起到了催化作用。非催化反應(yīng)是指HF分子即使沒有H+的催化也可以直接和二氧化硅發(fā)生反應(yīng)，這就得出了一個(gè)結(jié)論，即：HF和二氧化硅的反應(yīng)是有催化反應(yīng)和非催化兩個(gè)部分組成的。

三、HF-SiO2反應(yīng)機(jī)理

因?yàn)闅浞岷投趸璁a(chǎn)生反應(yīng)的過程是復(fù)雜的，人們對分子上的反應(yīng)機(jī)理沒有精確的解釋和說明，但是一些資料和研究揭示了反應(yīng)機(jī)理的過程和步驟。有人經(jīng)過研究表明，認(rèn)為氫氟酸和二氧化硅之間的反應(yīng)速率關(guān)鍵在于，Si-F取代了Si-OH。在氫氟酸和二氧化硅發(fā)生反應(yīng)機(jī)理的過程是：第一步，溶液的H+依附在玻璃的表層，并且在玻璃的表面產(chǎn)生一定濃度的Si-OH分子；第二步，溶液中含有的活性成分，對Si原子產(chǎn)生侵蝕，導(dǎo)致電子發(fā)生偏離，增強(qiáng)電子的極性，與此同時(shí)，Si-O的鍵強(qiáng)度減弱，直至發(fā)生破裂，產(chǎn)生一種新的產(chǎn)物，簡稱為D；第三步，在第二步產(chǎn)生的產(chǎn)物D，與HF2發(fā)生一系列的化學(xué)反應(yīng)，生產(chǎn)新產(chǎn)物E，這個(gè)過程就是Si-F取代了Si-OH的過程。

在Si-F取代Si-OH的過程里，反應(yīng)的速率是最關(guān)鍵的的一步，這是因?yàn)镾i-O的鍵鍵強(qiáng)較大，而且它的反應(yīng)速率是最緩慢的。在發(fā)生反應(yīng)機(jī)理的過程里，SF-O的鍵形成之后，產(chǎn)生很強(qiáng)的極化作用，致使Si-O鍵鍵強(qiáng)作用減小，不會形成中間產(chǎn)物D，這樣反應(yīng)速率就會大大加快。

在氫形成氫鍵之后，對于消除Si-OH的羥基有很大作用，它還會產(chǎn)生Si-F鍵，這種斷鍵和成鍵過程是連續(xù)進(jìn)行的，而一氟化物是不能達(dá)到這種結(jié)果的。還有一部分人卻不這么認(rèn)為，他們認(rèn)為HF分子是可以對二氧化硅發(fā)生侵蝕作用的，而且氫氟酸和二氧化硅在發(fā)生反應(yīng)時(shí)，是存在兩種反應(yīng)的，非催化反應(yīng)和催化反應(yīng)，非催化是指氫氟酸分子在硅酸鹽玻璃表層時(shí)，是對Si原子直接進(jìn)行親核侵蝕的，它通過減弱Si-O的鍵強(qiáng)度，導(dǎo)致發(fā)生斷裂。

經(jīng)過以上的說明，氫氟酸和二氧化硅的反應(yīng)過程就是：氫氟酸溶液中是含有可以對Si的原子產(chǎn)生親核性的侵蝕的分子，如：HF、（HF）2、和HF-2，進(jìn)而減弱了Si-O鍵強(qiáng)度，進(jìn)而導(dǎo)致鍵斷裂，形成了Si-F鍵。

硅鹽酸的化學(xué)處理被廣泛地進(jìn)行研究，并且應(yīng)用在工業(yè)生產(chǎn)中。因?yàn)闅浞岜旧淼碾婋x反應(yīng)的復(fù)雜性，對于電離反應(yīng)研究結(jié)果還存在著很大爭議，對硅鹽酸的化學(xué)處理還需要更多的時(shí)間來證明。另外，在實(shí)際生產(chǎn)中，氫氟酸和其他成分，例如：強(qiáng)酸，發(fā)生化學(xué)反應(yīng)時(shí)，可以使玻璃表層變得光滑。所以，氫氟酸和混合性溶液之間的溶解反應(yīng)也是未來研究的重點(diǎn)。

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作者簡介

劉建兵（1976.08-），男，漢族，河北邢臺人，大專，助理工程師。主要研究方向：硅酸鹽工藝。