氟化氢铵刻蚀玻璃的原理是什么?

如题所述

玻璃能被氢氟酸腐蚀,大家通常认知其反应过程是氢氟酸与二氧化硅或硅酸盐反应生成气态物质四氟化硅( SiF4 ) ,有关反应的化学方程式为: (1) SiO2+4HF=SiF4+2H2O (2) CasiO3+6HF=CaF2+SiF4+3H2O

有相关实验研究氢氟酸腐蚀玻璃后,产生蚀刻后溶液的浑浊并出现絮状沉淀和白雾的现象,其中絮状沉淀是SiF4 水解产生的原硅酸( H4SiO4 ) ,而白雾为 HF 溶于水蒸气而产生的酸雾。该实验分析认为氢氟酸与玻璃反应的主要依据是:

无机物水解受影响的主要三个因素:

(1)离子( 原子) 半径大小及所带电荷数的多少;

(2)离子( 原子) 电子层结构;

(3)离子( 原子) 的空轨道;

对于 SiF4 来说, 虽然 Si- F 键能( 565kJ/mol) 比 C- F 键的键能( 485 kJ/ mol) 大, SiF4 在 1273K 时也不分解[ 1],但 SiF4 却易水解。原因是硅原子半径较大,既有 3s 和 3p 轨道能形成共价键,又有 3d 空轨道可接受水分子中氯原子的孤对电子,形成配位键,从而削弱了硅与氟的作用力,使 Si-F 键发生断裂。所以, SiF4 很容易水解而不能存在于水中。有关反应的方程式为 SiF4+4H2O=H4SiO4+4HF

又由于这个反应产生的氟化氢和未水解的 SiF4 配位,形成氟硅酸( H2SiF6 ) ,化学反应方程式为
SiF4+2HF=H2SiF6
所以,氢氟酸腐蚀玻璃的总反应式为
2Si)2+6HF+2H2O=H2SiO4+H2SiF6+4H2O

或 2CaSiO3+10HF+4H2O=2CaF2+H4SiO4+H2SiF6+6H2O

所以,白色絮状沉淀为原硅酸(H4SiO4 ) ,产生的白雾是未参加反应的氟化氢与水形成的酸雾。

白雾不是SiF4 气体

有人认为,氟化氢气体与玻璃作用有 SiF4气体放出,这一结论显然不符合实验结果。因为,干燥的氟化氢根本不与 SiO2 或 CaSiO3 作用,这早已被前人所证实(参考文献:[苏] H.JI.格林卡。普通化学[M].北京: 高等教育出版社, 1985。)

水也是氢氟酸腐蚀玻璃的催化剂

通过反应方程式( 5) 以及它的分反应( 3) 、( 4) 就会发现, 反应( 5) 前后水的总量并未发生变化,但如果没有水的存在时反应( 5) 不能进行。根据催化剂的作用原理,研究认为水应该是此反应进行的催化剂,所以氢氟酸腐蚀玻璃反应表示为:
2SiO2+6HF=(H2O)=H4SiO4+H2SiF6 或

2CaSiO3+10HF=(H2O)=2CaF2+H4SiO4+H2SiF6+2H2O
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