У виробництві та житті силікагель можна використовувати для сушіння N2, повітря, водню, природного газу [1] тощо. Відповідно до кислоти та лугу осушувачі можна розділити на: кислотний осушувач, лужний осушувач і нейтральний осушувач [2]. Силікагель є нейтральним осушувачем, який, здається, сушить NH3, HCl, SO2 тощо. Проте, з принципової точки зору, силікагель складається з тривимірної міжмолекулярної дегідратації молекул ортокремнієвої кислоти, основною частиною якої є SiO2, а поверхня багата гідроксильними групами (див. рис. 1). Причина, чому силікагель може поглинати воду, полягає в тому, що гідроксильна група кремнію на поверхні силікагелю може утворювати міжмолекулярні водневі зв’язки з молекулами води, тому він може адсорбувати воду і, таким чином, виконувати роль сушіння. Силікагель, що змінює колір, містить іони кобальту, і після того, як адсорбційна вода досягає насичення, іони кобальту в силікагелі, що змінює колір, перетворюються на гідратовані іони кобальту, тому синій силікагель стає рожевим. Після нагрівання рожевого силікагелю при 200 ℃ протягом певного періоду часу водневий зв’язок між силікагелем і молекулами води розривається, і знебарвлений силікагель знову стає синім, так що структурна схема кремнієвої кислоти та силікагелю може використовувати повторно, як показано на малюнку 1. Таким чином, оскільки поверхня силікагелю багата гідроксильними групами, поверхня силікагелю також може утворювати міжмолекулярні водневі зв’язки з NH3 та HCl тощо, і може не бути способу діяти як осушувач NH3 і HCl, і в існуючій літературі немає відповідного звіту. Отже, які були результати? Цей предмет провів наступне експериментальне дослідження.
ФІГ. 1 Структурна схема ортокремнієвої кислоти та силікагелю
2 Експериментальна частина
2.1 Дослідження сфери застосування осушувача силікагелю — аміаку Спочатку знебарвлений силікагель помістили в дистильовану воду та концентровану аміачну воду відповідно. Знебарвлений силікагель стає рожевим у дистильованій воді; У концентрованому аміаку силікон, що змінює колір, спочатку стає червоним, а потім повільно стає світло-синім. Це показує, що силікагель може поглинати NH3 або NH3 ·H2O в аміаку. Як показано на малюнку 2, твердий кальцій гідроксид і амоній хлорид рівномірно змішані та нагріті в пробірці. Утворений газ видаляють лужним вапном, а потім силікагелем. Колір силікагелю біля входу стає світлішим (колір області застосування силікагелю осушувача на малюнку 2 досліджується — аміак 73, 8 фаза 2023 року в основному такий самий, як колір силікагелю, просоченого у концентрованій аміачній воді), а папір для тестування pH не має очевидних змін. Це вказує на те, що утворений NH3 не досяг рівня pH тестового паперу, і він був повністю адсорбований. Через деякий час припиніть нагрівання, вийміть невелику частину кульки силікагелю, помістіть її в дистильовану воду, додайте у воду фенолфталеїн, розчин стане червоним, що вказує на те, що силікагель має сильну адсорбційну дію на NH3, після від'єднання дистильованої води NH3 потрапляє в дистильовану воду, розчин лужний. Тому, оскільки силікагель має сильну адсорбцію NH3, силіконовий осушувач не може висушити NH3.
ФІГ. 2 Дослідження сфери застосування силікагелевого осушувача — аміаку
2.2 Дослідження сфери застосування силікагелевого осушувача — хлористий водень спочатку спалює тверді речовини NaCl полум’ям спиртової лампи для видалення вологої води в твердих компонентах. Після охолодження зразка концентровану сірчану кислоту додають до твердих частинок NaCl, щоб негайно утворити велику кількість бульбашок. Утворений газ пропускають у сферичну трубку для сушіння, що містить силікагель, а в кінці трубки для сушіння поміщають вологий тестовий папір для вимірювання pH. Силікагель на передньому кінці стає світло-зеленим, а вологий тестовий папір для pH не має очевидних змін (див. Малюнок 3). Це показує, що утворений газ HCl повністю адсорбується силікагелем і не виходить у повітря.
Рисунок 3 Дослідження сфери застосування осушувача силікагелю — хлористого водню
Силікагель, адсорбований HCl і став світло-зеленим, помістили в пробірку. Помістіть новий синій силікагель у пробірку, додайте концентровану соляну кислоту, силікагель також стане світло-зеленого кольору, два кольори в основному однакові. Це показує газ силікагель у сферичній трубці для сушіння.
2.3 Дослідження сфери застосування осушувача силікагелю — сірчаного ангідриду. Змішана концентрована сірчана кислота з твердим тіосульфатом натрію (див. рис. 4), NA2s2 O3 +H2 SO4 ==Na2 SO4 +SO2 ↑+S↓+H2 O; Утворений газ пропускають через сушильну трубку, що містить знебарвлений силікагель, знебарвлений силікагель стає світло-блакитно-зеленим, а блакитний лакмусовий папірець на кінці вологого тестового паперу суттєво не змінюється, що вказує на те, що утворився газ SO2. був повністю адсорбований кулькою силікагелю і не може вийти.
ФІГ. 4 Дослідження сфери застосування силікагелевого осушувача — діоксиду сірки
Зніміть частину кульки силікагелю і помістіть її в дистильовану воду. Після повного балансу візьміть невелику кількість води на синій лакмусовий папірець. Тестовий папір суттєво не змінюється, що вказує на те, що дистильованої води недостатньо для десорбції SO2 із силікагелю. Візьміть невелику частину кульки силікагелю і нагрійте її в пробірці. Помістіть вологий синій лакмусовий папірець до горловини пробірки. Синій лакмусовий папірець стає червоним, вказуючи на те, що під час нагрівання газ SO2 десорбується з кульки силікагелю, таким чином лакмусовий папірець стає червоним. Наведені вище експерименти показують, що силікагель також має сильну адсорбційну дію на SO2 або H2SO3, і його не можна використовувати для сушіння газу SO2.
2.4 Дослідження сфери застосування осушувача силікагелю — вуглекислого газу
Як показано на малюнку 5, розчин бікарбонату натрію, з якого капає фенолфталеїн, виглядає світло-червоним. Твердий бікарбонат натрію нагрівають і отриману газову суміш пропускають через сушильну трубку, що містить висушені сфери силікагелю. Силікагель суттєво не змінюється, а гідрокарбонат натрію, злитий фенолфталеїном, адсорбує HCl. Іон кобальту в знебарвленому силікагелі утворює зелений розчин із Cl- і поступово стає безбарвним, що вказує на те, що на кінці сферичної трубки для сушіння є газовий комплекс CO2. Світло-зелений силікагель поміщають у дистильовану воду, і знебарвлений силікагель поступово змінює колір на жовтий, що вказує на те, що HCl, адсорбований силікагелем, десорбується у воду. До підкисленого азотною кислотою розчину нітрату срібла додали невелику кількість верхнього водного розчину з утворенням білого осаду. Невелика кількість водного розчину капає на тестовий папір із широким діапазоном pH, і тестовий папір стає червоним, що вказує на те, що розчин кислий. Наведені вище експерименти показують, що силікагель має сильну адсорбцію на газ HCl. HCl є сильно полярною молекулою, і гідроксильна група на поверхні силікагелю також має сильну полярність, і вони можуть утворювати міжмолекулярні водневі зв’язки або мати відносно сильну диполь-дипольну взаємодію, що призводить до відносно сильної міжмолекулярної сили між поверхнею кремнезему. гелю та молекул HCl, тому силікагель має сильну адсорбцію HCl. Тому силіконовий осушувач не можна використовувати для висушування виділень HCl, тобто силікагель не адсорбує CO2 або лише частково адсорбує CO2.
ФІГ. 5 Дослідження сфери застосування силікагелевого осушувача — вуглекислого газу
Щоб довести адсорбцію силікагелю вуглекислим газом, наступні експерименти продовжуються. Силікагелеву кульку зі сферичної сушильної трубки видаляли, а частину розділяли на розчин бікарбонату натрію, капаючи фенолфталеїн. Розчин бікарбонату натрію знебарвили. Це показує, що силікагель адсорбує вуглекислий газ, а після розчинення у воді вуглекислий газ десорбується в розчині бікарбонату натрію, внаслідок чого розчин бікарбонату натрію тьмяніє. Частину силіконової кульки, що залишилася, нагрівають у сухій пробірці, а газ, що утворився, пропускають у розчин гідрокарбонату натрію, закапаний фенолфталеїном. Незабаром розчин бікарбонату натрію змінює колір зі світло-червоного на безбарвний. Це також показує, що силікагель все ще має адсорбційну здатність для газу CO2. Однак сила адсорбції силікагелю на CO2 набагато менша, ніж у HCl, NH3 і SO2, і вуглекислий газ може бути лише частково адсорбований під час експерименту на малюнку 5. Причина, чому силікагель може частково адсорбувати CO2, ймовірно, полягає в тому, що що силікагель і CO2 утворюють міжмолекулярні водневі зв’язки Si — OH… O =C. Оскільки центральний атом вуглецю CO2 є sp-гібридом, а атом кремнію в силікагелі є sp3-гібридом, лінійна молекула CO2 погано взаємодіє з поверхнею силікагелю, в результаті чого адсорбційна сила силікагелю на вуглекислому газі є відносно відносною. маленький.
3. Порівняння між розчинністю чотирьох газів у воді та адсорбційним статусом на поверхні силікагелю З наведених вище експериментальних результатів можна побачити, що силікагель має високу адсорбційну здатність для аміаку, хлористого водню та діоксиду сірки, але мала сила адсорбції вуглекислого газу (див. табл. 1). Це подібно до розчинності чотирьох газів у воді. Це може бути тому, що молекули води містять гідрокси-OH, а поверхня силікагелю також багата гідроксилом, тому розчинність цих чотирьох газів у воді дуже схожа на її адсорбцію на поверхні силікагелю. Серед трьох газів: аміаку, хлористого водню та діоксиду сірки, діоксид сірки має найменшу розчинність у воді, але після адсорбції силікагелем його найважче десорбувати серед трьох газів. Після того, як силікагель адсорбує аміак і хлористий водень, його можна десорбувати водою. Після того, як діоксид сірки адсорбується силікагелем, його важко десорбувати водою, і його необхідно нагріти для десорбції з поверхні силікагелю. Тому необхідно теоретично розрахувати адсорбцію чотирьох газів на поверхні силікагелю.
4 Теоретичний розрахунок взаємодії між силікагелем і чотирма газами представлено в програмному забезпеченні квантування ORCA [4] в рамках теорії функціоналу густини (DFT). Метод DFT D/B3LYP/Def2 TZVP використовувався для розрахунку режимів та енергій взаємодії між різними газами та силікагелем. Для спрощення розрахунку тверді речовини силікагелю представлені тетрамерними молекулами ортокремнієвої кислоти. Результати розрахунків показують, що H2O, NH3 і HCl можуть утворювати водневі зв’язки з гідроксильною групою на поверхні силікагелю (див. малюнок 6a ~ c). Вони мають відносно сильну енергію зв’язку на поверхні силікагелю (див. таблицю 2) і легко адсорбуються на поверхні силікагелю. Оскільки енергія зв’язку NH3 і HCl подібна до енергії H2O, промивання водою може призвести до десорбції цих двох молекул газу. Для молекули SO2 її енергія зв’язку становить лише -17,47 кДж/моль, що набагато менше, ніж у вищевказаних трьох молекул. Проте експеримент підтвердив, що газ SO2 легко адсорбується на силікагелі, і навіть промивання не може його десорбувати, і лише нагрівання може змусити SO2 вийти з поверхні силікагелю. Тому ми припустили, що SO2, ймовірно, поєднується з H2O на поверхні силікагелю, утворюючи фракції H2SO3. На малюнку 6e показано, що молекула H2SO3 одночасно утворює три водневі зв’язки з атомами гідроксилу та кисню на поверхні силікагелю, а енергія зв’язку становить –76,63 кДж/моль, що пояснює, чому SO2 адсорбується на силікагель важко видалити водою. Неполярний CO2 має найслабшу здатність зв’язувати силікагель і може лише частково адсорбуватися силікагелем. Хоча енергія зв’язку H2CO3 і силікагелю також досягла -65,65 кДж/моль, швидкість перетворення CO2 в H2CO3 була невисокою, тому швидкість адсорбції CO2 також була знижена. З наведених вище даних видно, що полярність молекули газу не є єдиним критерієм для судження про те, чи може вона адсорбуватися силікагелем, а водневий зв’язок, утворений з поверхнею силікагелю, є основною причиною його стабільної адсорбції.
Склад силікагелю SiO2 · nH2 O, величезна площа поверхні силікагелю та багата гідроксильна група на поверхні дозволяють використовувати силікагель як нетоксичний осушувач із чудовою продуктивністю та широко використовувати у виробництві та житті . У цій статті підтверджено з двох аспектів експерименту та теоретичного розрахунку, що силікагель може адсорбувати NH3, HCl, SO2, CO2 та інші гази через міжмолекулярні водневі зв’язки, тому силікагель не можна використовувати для сушіння цих газів. Склад силікагелю SiO2 · nH2 O, величезна площа поверхні силікагелю та багата гідроксильна група на поверхні дозволяють використовувати силікагель як нетоксичний осушувач із чудовою продуктивністю та широко використовувати у виробництві та житті . У цій статті підтверджено з двох аспектів експерименту та теоретичного розрахунку, що силікагель може адсорбувати NH3, HCl, SO2, CO2 та інші гази через міжмолекулярні водневі зв’язки, тому силікагель не можна використовувати для сушіння цих газів.
３
ФІГ. 6 Режими взаємодії між різними молекулами та поверхнею силікагелю, розраховані методом DFT
Час публікації: 14 листопада 2023 р
