Pri výrobe a živote možno silikagél použiť na sušenie N2, vzduchu, vodíka, zemného plynu [1] atď. Podľa kyseliny a zásady možno sušidlo rozdeliť na: kyslé sušidlo, alkalické sušidlo a neutrálne sušidlo [2]. Silikagél sa javí ako neutrálna sušička, ktorá zdá sa suší NH3, HCl, SO2 atď. Avšak z princípu je silikagél zložený z trojrozmernej intermolekulárnej dehydratácie molekúl kyseliny ortokremičitej, hlavným telom je SiO2, a povrch je bohatý na hydroxylové skupiny (pozri obrázok 1). Dôvodom, prečo môže silikagél absorbovať vodu, je to, že hydroxylová skupina kremíka na povrchu silikagélu môže vytvárať medzimolekulové vodíkové väzby s molekulami vody, takže môže adsorbovať vodu a hrať tak úlohu sušenia. Silikagél meniaci farbu obsahuje ióny kobaltu a po dosiahnutí nasýtenia adsorpčnej vody sa ióny kobaltu v silikagéli meniacom farbu stanú hydratovanými iónmi kobaltu, takže modrý silikagél sa zmení na ružový. Po zahriatí ružového silikagélu na 200 °C po určitú dobu sa vodíková väzba medzi silikagélom a molekulami vody preruší a zafarbený silikagél opäť zmodrie, takže štruktúrny diagram kyseliny kremičitej a silikagélu 1. Takže, keďže povrch silikagélu je bohatý na hydroxylové skupiny, povrch silikagélu môže tiež vytvárať medzimolekulové vodíkové väzby s NH3 a HCl atď., a nemusí existovať spôsob, ako pôsobiť sušidlo NH3 a HCl a v existujúcej literatúre neexistuje žiadna relevantná správa. Aké boli teda výsledky? Tento subjekt vykonal nasledujúci experimentálny výskum.
Obr. 1 Schéma štruktúry kyseliny orto-kremičitej a silikagélu
2 Časť experimentu
2.1 Preskúmanie rozsahu použitia silikagélového sušidla – amoniak Najprv sa odfarbený silikagél umiestnil do destilovanej vody a koncentrovanej amoniakovej vody. Odfarbený silikagél sa v destilovanej vode zmení na ružový; V koncentrovanom amoniaku sa silikón meniaci farbu najskôr zmení na červený a pomaly na svetlo modrý. To ukazuje, že silikagél môže absorbovať NH3 alebo NH3 · H20 v amoniaku. Ako je znázornené na obrázku 2, tuhý hydroxid vápenatý a chlorid amónny sa rovnomerne zmiešajú a zahrievajú v skúmavke. Výsledný plyn sa odstráni alkalickým vápnom a potom silikagélom. Farba silikagélu v blízkosti smeru vstupu sa zosvetlí (skúma sa farba rozsahu použitia silikagélového sušidla na obrázku 2 — amoniak 73, 8. fáza roku 2023 je v podstate rovnaká ako farba nasiaknutého silikagélu v koncentrovanej čpavkovej vode) a pH testovací papierik nemá žiadnu zjavnú zmenu. To naznačuje, že produkovaný NH3 nedosiahol pH testovací papier a bol úplne adsorbovaný. Po určitom čase zastavte zahrievanie, vyberte malú časť silikagélovej guľôčky, vložte ju do destilovanej vody, do vody pridajte fenolftaleín, roztok sčervenie, čo naznačuje, že silikagél má silný adsorpčný účinok na NH3, po odpojení destilovanej vody sa NH3 dostáva do destilovanej vody, roztok je alkalický. Preto, pretože silikagél má silnú adsorpciu pre NH3, silikónové sušiace činidlo nemôže vysušiť NH3.
Obr. 2 Preskúmanie rozsahu použitia sušidla na silikagéli – amoniaku
2.2 Preskúmanie rozsahu použitia silikagélového sušidla – chlorovodík najprv spaľuje tuhé NaCl plameňom alkoholovej lampy, aby sa odstránila vlhká voda v tuhých zložkách. Po ochladení vzorky sa k tuhým látkam NaCl pridá koncentrovaná kyselina sírová, aby sa okamžite vytvorilo veľké množstvo bublín. Generovaný plyn sa vedie do guľovej sušiacej trubice obsahujúcej silikagél a na koniec sušiacej trubice sa umiestni vlhký testovací papierik na pH. Silikagél na prednom konci sa zmení na svetlozelený a vlhký testovací papierik pH nemá žiadnu zjavnú zmenu (pozri obrázok 3). To ukazuje, že vytvorený plynný HCl je úplne adsorbovaný silikagélom a neuniká do vzduchu.
Obrázok 3 Výskum rozsahu použitia silikagélového sušidla – chlorovodíka
Silikagél adsorboval HCl a zmenil sa na svetlozelený a umiestnil sa do skúmavky. Vložte nový modrý silikagél do skúmavky, pridajte koncentrovanú kyselinu chlorovodíkovú, silikagél tiež získa svetlozelenú farbu, dve farby sú v podstate rovnaké. Toto ukazuje plynný silikagél v guľovej sušiacej trubici.
2.3 Preskúmanie rozsahu použitia silikagélového sušidla – oxidu siričitého Zmiešaná koncentrovaná kyselina sírová s pevným tiosíranom sodným (pozri obrázok 4), NA2s2 O3 +H2 SO4 ==Na2 SO4 +SO2 ↑+S↓+H2O; Generovaný plyn prechádza cez sušiacu trubicu obsahujúcu odfarbený silikagél, zmenený silikagél sa zmení na svetlomodrozelený a modrý lakmusový papierik na konci vlhkého testovacieho papierika sa výrazne nemení, čo naznačuje, že generovaný plyn SO2 má boli úplne adsorbované guľôčkou silikagélu a nemôžu uniknúť.
Obr. 4 Preskúmanie rozsahu použitia sušidla na silikagéli – oxidu siričitého
Odstráňte časť silikagélovej gule a vložte ju do destilovanej vody. Po úplnom vyvážení naneste malú kvapku vody na modrý lakmusový papierik. Testovací papierik sa výrazne nemení, čo naznačuje, že destilovaná voda nestačí na desorbovanie SO2 zo silikagélu. Vezmite malú časť guľôčky silikagélu a zohrejte ju v skúmavke. Vložte vlhký modrý lakmusový papier do ústia skúmavky. Modrý lakmusový papierik sa zmení na červený, čo naznačuje, že zahrievaním sa plyn SO2 desorbuje z guľôčky silikagélu, čím sa lakmusový papierik zmení na červený. Vyššie uvedené experimenty ukazujú, že silikagél má tiež silný adsorpčný účinok na SO2 alebo H2S03 a nemožno ho použiť na sušenie plynného SO2.
2.4 Preskúmanie rozsahu použitia sušidla na silikagéli – Oxid uhličitý
Ako je znázornené na obrázku 5, roztok hydrogénuhličitanu sodného kvapkajúci fenolftaleín sa javí ako svetločervený. Pevný hydrogénuhličitan sodný sa zahrieva a výsledná plynná zmes sa vedie cez sušiacu trubicu obsahujúcu sušené guľôčky silikagélu. Silikagél sa výrazne nemení a hydrogénuhličitan sodný kvapkajúci fenolftaleínom adsorbuje HCl. Kobaltový ión v odfarbenom silikagéli tvorí zelený roztok s Cl- a postupne sa stáva bezfarebným, čo naznačuje, že na konci guľovej sušiacej trubice je plynný komplex CO2. Svetlozelený silikagél sa umiestni do destilovanej vody a odfarbený silikagél sa postupne zmení na žltý, čo naznačuje, že HCl adsorbovaný silikagélom bol desorbovaný do vody. Malé množstvo horného vodného roztoku sa pridalo do roztoku dusičnanu strieborného okysleného kyselinou dusičnou za vzniku bielej zrazeniny. Malé množstvo vodného roztoku sa nakvapká na testovací papierik so širokým rozsahom pH a testovací papierik sa zmení na červenú, čo znamená, že roztok je kyslý. Vyššie uvedené experimenty ukazujú, že silikagél má silnú adsorpciu na plynný HCl. HCl je silne polárna molekula a hydroxylová skupina na povrchu silikagélu má tiež silnú polaritu a tieto dve môžu vytvárať medzimolekulové vodíkové väzby alebo mať relatívne silnú dipólovú dipólovú interakciu, čo vedie k relatívne silnej medzimolekulárnej sile medzi povrchom oxidu kremičitého. gélu a molekúl HCl, takže silikagél má silnú adsorpciu HCl. Preto nie je možné použiť silikónové sušiace činidlo na sušenie úniku HCl, to znamená, že silikagél neadsorbuje CO2 alebo len čiastočne adsorbuje CO2.
Obr. 5 Preskúmanie rozsahu použitia silikagélového sušidla – oxidu uhličitého
Aby sa dokázala adsorpcia silikagélu na plynný oxid uhličitý, pokračujú nasledujúce experimenty. Silikagélová guľa v guľovej sušiacej trubici sa odstránila a časť sa rozdelila na roztok hydrogénuhličitanu sodného pokvapkajúceho fenolftaleínom. Roztok hydrogénuhličitanu sodného sa odfarbil. To ukazuje, že silikagél adsorbuje oxid uhličitý a po rozpustení vo vode sa oxid uhličitý desorbuje do roztoku hydrogénuhličitanu sodného, čím roztok hydrogénuhličitanu sodného vybledne. Zvyšná časť silikónovej guľôčky sa zahrieva v suchej skúmavke a výsledný plyn sa vedie do roztoku hydrogénuhličitanu sodného pokvapkaného fenolftaleínom. Čoskoro sa roztok hydrogénuhličitanu sodného zmení zo svetločervenej na bezfarebnú. To tiež ukazuje, že silikagél má stále adsorpčnú kapacitu pre plynný CO2. Adsorpčná sila silikagélu na CO2 je však oveľa menšia ako sila HCl, NH3 a SO2 a oxid uhličitý sa môže počas experimentu na obrázku 5 adsorbovať len čiastočne. Dôvodom, prečo môže silikagél čiastočne adsorbovať CO2, je pravdepodobne že silikagél a CO2 tvoria medzimolekulové vodíkové väzby Si — OH… O =C. Pretože centrálny atóm uhlíka CO2 je sp hybrid a atóm kremíka v silikagéli je sp3 hybrid, lineárna molekula CO2 nespolupracuje dobre s povrchom silikagélu, čo má za následok, že adsorpčná sila silikagélu na oxid uhličitý je relatívne malý.
3. Porovnanie medzi rozpustnosťou štyroch plynov vo vode a adsorpčným stavom na povrchu silikagélu Z vyššie uvedených experimentálnych výsledkov je vidieť, že silikagél má silnú adsorpčnú kapacitu pre amoniak, chlorovodík a oxid siričitý, ale malá adsorpčná sila pre oxid uhličitý (pozri tabuľku 1). Je to podobné ako rozpustnosť štyroch plynov vo vode. Môže to byť spôsobené tým, že molekuly vody obsahujú hydroxy-OH a povrch silikagélu je tiež bohatý na hydroxyl, takže rozpustnosť týchto štyroch plynov vo vode je veľmi podobná jeho adsorpcii na povrchu silikagélu. Spomedzi troch plynov plynného amoniaku, chlorovodíka a oxidu siričitého má oxid siričitý najmenšiu rozpustnosť vo vode, ale po adsorbovaní na silikagéli je spomedzi troch plynov najťažší na desorpciu. Potom, čo silikagél adsorbuje amoniak a chlorovodík, môže byť desorbovaný vodou z rozpúšťadla. Potom, čo je plynný oxid siričitý adsorbovaný silikagélom, je ťažké ho desorpovať vodou a musí sa zahriať na desorpciu z povrchu silikagélu. Preto sa musí teoreticky vypočítať adsorpcia štyroch plynov na povrchu silikagélu.
4 Teoretický výpočet interakcie medzi silikagélom a štyrmi plynmi je prezentovaný v kvantovom softvéri ORCA [4] v rámci teórie funkcionálu hustoty (DFT). Na výpočet režimov interakcie a energií medzi rôznymi plynmi a silikagélom bola použitá metóda DFT D/B3LYP/Def2 TZVP. Pre zjednodušenie výpočtu sú pevné látky silikagélu reprezentované molekulami tetramérnej kyseliny ortokremičitej. Výsledky výpočtov ukazujú, že H20, NH3 a HCl môžu všetky vytvárať vodíkové väzby s hydroxylovou skupinou na povrchu silikagélu (pozri obrázok 6a ~ c). Majú relatívne silnú väzbovú energiu na povrchu silikagélu (pozri tabuľku 2) a ľahko sa adsorbujú na povrchu silikagélu. Pretože väzbová energia NH3 a HCl je podobná ako väzbová energia H20, premývanie vodou môže viesť k desorpcii týchto dvoch molekúl plynu. V prípade molekuly SO2 je jej väzbová energia iba -17,47 kJ/mol, čo je oveľa menej ako vyššie uvedené tri molekuly. Experiment však potvrdil, že plynný SO2 sa ľahko adsorbuje na silikagéli a dokonca ani umývanie ho nedokáže desorbovať a iba zahrievaním môže SO2 uniknúť z povrchu silikagélu. Preto sme uhádli, že SO2 sa pravdepodobne spojí s H20 na povrchu silikagélu za vzniku frakcií H2S03. Obrázok 6e ukazuje, že molekula H2SO3 vytvára tri vodíkové väzby s hydroxylovými a kyslíkovými atómami na povrchu silikagélu súčasne a väzbová energia je až -76,63 kJ/mol, čo vysvetľuje, prečo sa SO2 adsorbuje na silikagél sa ťažko vymýva vodou. Nepolárny CO2 má najslabšiu väzbovú schopnosť so silikagélom a môže byť len čiastočne adsorbovaný silikagélom. Hoci väzbová energia H2CO3 a silikagélu tiež dosiahla -65,65 kJ/mol, miera konverzie CO2 na H2CO3 nebola vysoká, takže rýchlosť adsorpcie CO2 bola tiež znížená. Z vyššie uvedených údajov je zrejmé, že polarita molekuly plynu nie je jediným kritériom na posúdenie, či môže byť adsorbovaná silikagélom, a vodíková väzba vytvorená na povrchu silikagélu je hlavným dôvodom jej stabilnej adsorpcie.
Zloženie silikagélu je SiO2 · nH2 O, obrovský povrch silikagélu a bohatá hydroxylová skupina na povrchu umožňujú použitie silikagélu ako netoxického sušiča s vynikajúcim výkonom a je široko používaný vo výrobe a životnosti . V tomto článku je z dvoch aspektov experimentu a teoretického výpočtu potvrdené, že silikagél môže adsorbovať NH3, HCl, SO2, CO2 a ďalšie plyny cez medzimolekulové vodíkové väzby, takže silikagél nemôže byť použitý na sušenie týchto plynov. Zloženie silikagélu je SiO2 · nH2 O, obrovský povrch silikagélu a bohatá hydroxylová skupina na povrchu umožňujú použitie silikagélu ako netoxického sušiča s vynikajúcim výkonom a je široko používaný vo výrobe a životnosti . V tomto článku je z dvoch aspektov experimentu a teoretického výpočtu potvrdené, že silikagél môže adsorbovať NH3, HCl, SO2, CO2 a ďalšie plyny cez medzimolekulové vodíkové väzby, takže silikagél nemôže byť použitý na sušenie týchto plynov.
３
Obr. 6 Interakčné režimy medzi rôznymi molekulami a povrchom silikagélu vypočítané metódou DFT
Čas odoslania: 14. novembra 2023
