เหตุใดอัตราการเกิดปฏิกิริยาของ Si และ NaOH จึงเร็วกว่า SiO2

เหตุใดจึงมีอัตราการเกิดปฏิกิริยาของซิลิคอนและโซเดียมไฮดรอกไซด์สามารถเกินกว่าซิลิคอนไดออกไซด์สามารถวิเคราะห์ได้จากด้านต่อไปนี้:

ความแตกต่างของพลังงานพันธะเคมี

▪ ปฏิกิริยาของซิลิคอนและโซเดียมไฮดรอกไซด์: เมื่อซิลิคอนทำปฏิกิริยากับโซเดียมไฮดรอกไซด์ พลังงานพันธะ Si-Si ระหว่างอะตอมของซิลิคอนจะอยู่ที่ 176kJ/mol เท่านั้น พันธะ Si-Si แตกตัวระหว่างปฏิกิริยา ซึ่งค่อนข้างแตกง่ายกว่า จากมุมมองจลนศาสตร์ ปฏิกิริยาจะดำเนินการได้ง่ายกว่า

▪ ปฏิกิริยาของซิลิคอนไดออกไซด์และโซเดียมไฮดรอกไซด์: พลังงานพันธะ Si-O ระหว่างอะตอมของซิลิคอนและอะตอมของออกซิเจนในซิลิคอนไดออกไซด์คือ 460kJ/mol ซึ่งค่อนข้างสูง ต้องใช้พลังงานสูงกว่าในการทำลายพันธะ Si-O ในระหว่างปฏิกิริยา ดังนั้นปฏิกิริยาจึงเกิดขึ้นค่อนข้างยากและอัตราการเกิดปฏิกิริยาก็ช้า

กลไกการเกิดปฏิกิริยาที่แตกต่างกัน

▪ ซิลิคอนทำปฏิกิริยากับโซเดียมไฮดรอกไซด์: ซิลิคอนทำปฏิกิริยากับโซเดียมไฮดรอกไซด์ก่อนโดยทำปฏิกิริยากับน้ำเพื่อสร้างไฮโดรเจนและกรดซิลิซิก จากนั้นกรดซิลิซิกจะทำปฏิกิริยากับโซเดียมไฮดรอกไซด์เพื่อสร้างโซเดียมซิลิเกตและน้ำ ในระหว่างปฏิกิริยานี้ ปฏิกิริยาระหว่างซิลิคอนกับน้ำจะปล่อยความร้อนออกมา ซึ่งสามารถส่งเสริมการเคลื่อนที่ของโมเลกุล ได้ จึงสร้างสภาพแวดล้อมทางจลน์ที่ดีขึ้นสำหรับปฏิกิริยาและเร่งอัตราการเกิดปฏิกิริยา

▪ ซิลิคอนไดออกไซด์ทำปฏิกิริยากับโซเดียมไฮดรอกไซด์: ซิลิคอนไดออกไซด์ทำปฏิกิริยากับโซเดียมไฮดรอกไซด์ก่อนโดยทำปฏิกิริยากับน้ำเพื่อสร้างกรดซิลิซิก จากนั้นกรดซิลิซิกจะทำปฏิกิริยากับโซเดียมไฮดรอกไซด์เพื่อสร้างโซเดียมซิลิเกต ปฏิกิริยาระหว่างซิลิคอนไดออกไซด์กับน้ำช้ามาก และโดยพื้นฐานแล้วกระบวนการทำปฏิกิริยาจะไม่ปล่อยความร้อนออกมา จากมุมมองจลน์ศาสตร์ มันไม่เอื้อต่อปฏิกิริยาที่รวดเร็ว

โครงสร้างวัสดุที่แตกต่างกัน

▪ โครงสร้างซิลิคอน:ซิลิคอนมีโครงสร้างผลึกที่แน่นอน และมีช่องว่างและปฏิกิริยาระหว่างอะตอมที่ค่อนข้างอ่อน ทำให้สารละลายโซเดียมไฮดรอกไซด์สัมผัสและทำปฏิกิริยากับอะตอมของซิลิคอนได้ง่ายขึ้น

▪ โครงสร้างของซิลิคอนไดออกไซด์:ซิลิคอนไดออกไซด์มีโครงสร้างเครือข่ายเชิงพื้นที่ที่มั่นคงซิลิคอนอะตอมและอะตอมออกซิเจนถูกพันธะโควาเลนต์จับกันอย่างแน่นหนาเพื่อสร้างโครงสร้างผลึกที่แข็งและเสถียร เป็นเรื่องยากสำหรับสารละลายโซเดียมไฮดรอกไซด์ที่จะแทรกซึมเข้าไปภายในและสัมผัสกับอะตอมของซิลิคอนจนหมด ส่งผลให้เกิดความยากลำบากในการเกิดปฏิกิริยาอย่างรวดเร็ว มีเพียงอะตอมของซิลิคอนบนพื้นผิวของอนุภาคซิลิคอนไดออกไซด์เท่านั้นที่สามารถทำปฏิกิริยากับโซเดียมไฮดรอกไซด์ได้ ซึ่งจำกัดอัตราการเกิดปฏิกิริยา

ผลกระทบของเงื่อนไข

▪ ปฏิกิริยาของซิลิคอนกับโซเดียมไฮดรอกไซด์: ภายใต้สภาวะความร้อน อัตราการเกิดปฏิกิริยาของซิลิคอนกับสารละลายโซเดียมไฮดรอกไซด์จะถูกเร่งอย่างมีนัยสำคัญ และโดยทั่วไปปฏิกิริยาสามารถดำเนินการได้อย่างราบรื่นที่อุณหภูมิสูง

▪ ปฏิกิริยาของซิลิคอนไดออกไซด์กับโซเดียมไฮดรอกไซด์: ปฏิกิริยาของซิลิคอนไดออกไซด์กับสารละลายโซเดียมไฮดรอกไซด์จะช้ามากที่อุณหภูมิห้อง โดยปกติ อัตราการเกิดปฏิกิริยาจะดีขึ้นภายใต้สภาวะที่ไม่เอื้ออำนวย เช่น อุณหภูมิสูงและสารละลายโซเดียมไฮดรอกไซด์เข้มข้น