Tại sao tốc độ phản ứng của Si và NaOH lại nhanh hơn SiO2?

Vì sao tốc độ phản ứng củasilicvà natri hydroxit có thể vượt qua silicon dioxide có thể được phân tích từ các khía cạnh sau:

Sự khác biệt về năng lượng liên kết hóa học

▪ Phản ứng của silicon và natri hydroxit: Khi silicon phản ứng với natri hydroxit, năng lượng liên kết Si-Si giữa các nguyên tử silicon chỉ là 176kJ/mol. Liên kết Si-Si bị phá vỡ trong quá trình phản ứng, tương đối dễ bị phá vỡ hơn. Từ quan điểm động học, phản ứng dễ dàng tiến hành hơn.

▪ Phản ứng của silicon dioxide và natri hydroxit: Năng lượng liên kết Si-O giữa nguyên tử silicon và nguyên tử oxy trong silicon dioxide là 460kJ/mol, tương đối cao. Cần năng lượng cao hơn để phá vỡ liên kết Si-O trong quá trình phản ứng, do đó phản ứng tương đối khó xảy ra và tốc độ phản ứng chậm.

Cơ chế phản ứng khác nhau

▪ Silicon phản ứng với natri hydroxit: Silicon phản ứng với natri hydroxit trước tiên bằng cách phản ứng với nước tạo ra hydro và axit silicic, sau đó axit silicic phản ứng với natri hydroxit để tạo ra natri silicat và nước. Trong phản ứng này, phản ứng giữa silicon và nước giải phóng nhiệt, có thể thúc đẩy chuyển động phân tử, từ đó tạo ra môi trường động học tốt hơn cho phản ứng và đẩy nhanh tốc độ phản ứng.

▪ Silicon dioxide phản ứng với natri hydroxit: Silicon dioxide phản ứng với natri hydroxit trước tiên bằng cách phản ứng với nước tạo ra axit silicic, sau đó axit silicic phản ứng với natri hydroxit để tạo ra natri silicat. Phản ứng giữa silicon dioxide và nước diễn ra cực kỳ chậm và về cơ bản quá trình phản ứng không thải ra nhiệt. Từ quan điểm động học, nó không có lợi cho phản ứng nhanh.

Cấu trúc vật liệu khác nhau

▪ Cấu trúc silic:Siliconcó cấu trúc tinh thể nhất định, có những khoảng trống nhất định và tương tác tương đối yếu giữa các nguyên tử, giúp dung dịch natri hydroxit tiếp xúc và phản ứng với các nguyên tử silicon dễ dàng hơn.

▪ Cấu trúc củasilicdioxit:silicdioxide có cấu trúc mạng không gian ổn định.Siliconnguyên tử và nguyên tử oxy liên kết chặt chẽ bằng liên kết cộng hóa trị tạo thành cấu trúc tinh thể cứng và ổn định. Dung dịch natri hydroxit khó xâm nhập vào bên trong và tiếp xúc hoàn toàn với các nguyên tử silicon, dẫn đến khó phản ứng nhanh. Chỉ các nguyên tử silicon trên bề mặt hạt silicon dioxide mới có thể phản ứng với natri hydroxit, hạn chế tốc độ phản ứng.

Ảnh hưởng của điều kiện

▪ Phản ứng của silicon với natri hydroxit: Trong điều kiện đun nóng, tốc độ phản ứng của silicon với dung dịch natri hydroxit sẽ được tăng tốc đáng kể và phản ứng nhìn chung có thể diễn ra suôn sẻ ở nhiệt độ cao.

▪ Phản ứng của silicon dioxide với natri hydroxit: Phản ứng của silicon dioxide với dung dịch natri hydroxit diễn ra rất chậm ở nhiệt độ phòng. Thông thường, tốc độ phản ứng sẽ được cải thiện trong điều kiện khắc nghiệt như nhiệt độ cao và dung dịch natri hydroxit đậm đặc.