Ražošanā un ekspluatācijā silikagelu var izmantot N2, gaisa, ūdeņraža, dabasgāzes [1] un tā tālāk žāvēšanai. Pēc skābes un sārma desikantu var iedalīt: skābes žāvēšanas līdzeklis, sārmains desikants un neitrāls desikants [2]. Šķiet, ka silikagels ir neitrāls žāvētājs, kas, šķiet, žāvē NH3, HCl, SO2 utt. Tomēr no principiālā viedokļa silikagels sastāv no ortosilīcijskābes molekulu trīsdimensiju starpmolekulārās dehidratācijas, kuras galvenais korpuss ir SiO2, un virsma ir bagāta ar hidroksilgrupām (skat. 1. attēlu). Iemesls, kāpēc silikagels var absorbēt ūdeni, ir tas, ka silīcija hidroksilgrupa uz silikagēla virsmas var veidot starpmolekulāras ūdeņraža saites ar ūdens molekulām, tāpēc tas var adsorbēt ūdeni un tādējādi spēlēt žāvēšanas lomu. Krāsu mainošais silikagēls satur kobalta jonus, un pēc tam, kad adsorbcijas ūdens sasniedz piesātinājumu, kobalta joni krāsu mainošajā silikagelā kļūst par hidratētiem kobalta joniem, līdz ar to zilais silikagels kļūst rozā krāsā. Pēc rozā silikagēla karsēšanas 200 ℃ kādu laiku ūdeņraža saite starp silikagēlu un ūdens molekulām pārtrūkst, un izmainītais silikagēls atkal kļūs zils, lai silīcija skābes un silikagēla struktūras diagramma varētu parādīties. var izmantot atkārtoti, kā parādīts 1. attēlā. Tātad, tā kā silikagēla virsma ir bagāta ar hidroksilgrupām, silikagēla virsma var veidot arī starpmolekulāras ūdeņraža saites ar NH3 un HCl utt., un var nebūt iespējas rīkoties kā NH3 un HCl desikants, un esošajā literatūrā nav atbilstoša ziņojuma. Tātad, kādi bija rezultāti? Šis subjekts ir veicis šādu eksperimentālu pētījumu.
Zīm. 1 Orto-silīcija skābes un silikagēla struktūras diagramma
2. eksperimenta daļa
2.1. Silikagela žāvēšanas līdzekļa — amonjaka pielietojuma jomas izpēte. Vispirms mainījušo silikagelu ievietoja attiecīgi destilētā ūdenī un koncentrētā amonjaka ūdenī. Izmainīta silikagela krāsa destilētā ūdenī kļūst sārta; Koncentrētā amonjakā krāsu mainošais silikons vispirms kļūst sarkans un lēnām kļūst gaiši zils. Tas parāda, ka silikagels var absorbēt NH3 vai NH3 · H2 O amonjakā. Kā parādīts 2. attēlā, cieto kalcija hidroksīdu un amonija hlorīdu vienmērīgi sajauc un karsē mēģenē. Iegūto gāzi atdala ar sārmu kaļķi un pēc tam ar silikagelu. Silikagēla krāsa ieejas virziena tuvumā kļūst gaišāka (izpētīta 2. attēlā redzamā silikagela desikantu lietošanas jomas krāsa — amonjaks 73, 2023. gada 8. fāze būtībā ir tāda pati kā izmērcētā silikagēla krāsa koncentrētā amonjaka ūdenī), un pH testa papīram nav acīmredzamu izmaiņu. Tas norāda, ka saražotais NH3 nav sasniedzis pH testa papīru un ir pilnībā adsorbēts. Pēc kāda laika pārtrauciet karsēšanu, izņemiet nelielu silikagēla lodītes daļu, ievietojiet to destilētā ūdenī, pievienojiet ūdenim fenolftaleīnu, šķīdums kļūst sarkans, norādot, ka silikagelam ir spēcīga adsorbcijas iedarbība. NH3, pēc destilētā ūdens atdalīšanas NH3 nonāk destilētajā ūdenī, šķīdums ir sārmains. Tāpēc, tā kā silikagelam ir spēcīga NH3 adsorbcija, silikona žāvēšanas līdzeklis nevar izžūt NH3.
Zīm. 2 Silikagela desikantu — amonjaka — pielietojuma jomas izpēte
2.2. Silikagela desikantu pielietojuma jomas izpēte — hlorūdeņradis vispirms sadedzina NaCl cietās vielas ar spirta lampas liesmu, lai noņemtu mitro ūdeni cietajās sastāvdaļās. Pēc parauga atdzesēšanas NaCl cietajām vielām pievieno koncentrētu sērskābi, lai nekavējoties izveidotu lielu skaitu burbuļu. Radītā gāze tiek ievadīta sfēriskā žāvēšanas caurulē, kas satur silikagelu, un žāvēšanas caurules galā ievieto mitru pH testa papīru. Silikagels priekšējā galā kļūst gaiši zaļš, un mitrā pH testa papīram nav acīmredzamu izmaiņu (sk. 3. attēlu). Tas parāda, ka radītā HCl gāze ir pilnībā adsorbēta ar silikagelu un neizplūst gaisā.
3.attēls Pētījums par silikagela desikantu — hlorūdeņraža pielietojumu
Silikagels adsorbēja HCl un kļuva gaiši zaļš, ievietoja mēģenē. Ielieciet mēģenē jauno zilo silikagelu, pievienojiet koncentrētu sālsskābi, silikagels arī kļūst gaiši zaļā krāsā, abas krāsas būtībā ir vienādas. Tas parāda silikagela gāzi sfēriskajā žāvēšanas caurulē.
2.3. Silikagēla žāvēšanas līdzekļa — sēra dioksīda — pielietojuma jomas izpēte. Koncentrēta sērskābe sajaukta ar nātrija tiosulfātu cietvielu (skatīt 4. attēlu), NA2s2 O3 +H2 SO4 ==Na2 SO4 +SO2 ↑+S↓+H2 O; Radītā gāze tiek izvadīta caur žāvēšanas cauruli, kurā ir izmainīta silikagēla krāsa, izmainītais silikagels kļūst gaiši zili zaļš, un zilais lakmusa papīrs mitrā testa papīra galā būtiski nemainās, norādot, ka radītā SO2 gāze ir ir pilnībā adsorbēts silikagela lodītē un nevar izkļūt.
Zīm. 4 Silikagela desikantu — sēra dioksīda — pielietojuma jomas izpēte
Noņemiet daļu no silikagela bumbiņas un ievietojiet to destilētā ūdenī. Pēc pilnīgas līdzsvara uzņemiet nelielu ūdens pilienu uz zilā lakmusa papīra. Testa papīrs būtiski nemainās, norādot, ka ar destilētu ūdeni nepietiek, lai desorbētu SO2 no silikagela. Paņemiet nelielu daļu no silikagela bumbiņas un sildiet to mēģenē. Mēģenes mutē ielieciet mitru zilu lakmusa papīru. Zilais lakmusa papīrs kļūst sarkans, norādot, ka karsēšana liek SO2 gāzei desorbēties no silikagela lodītes, tādējādi padarot lakmusa papīru sarkanu. Iepriekš minētie eksperimenti parāda, ka silikagelam ir arī spēcīga SO2 vai H2SO3 adsorbcijas iedarbība, un to nevar izmantot SO2 gāzes žāvēšanai.
2.4. Silikagela desikantu — oglekļa dioksīda — pielietojuma jomas izpēte
Kā parādīts 5. attēlā, nātrija bikarbonāta šķīdums, kas pilina fenolftaleīnu, izskatās gaiši sarkans. Nātrija bikarbonāta cieto vielu karsē un iegūto gāzu maisījumu izvada caur žāvēšanas cauruli, kurā ir žāvētas silikagela sfēras. Silikagels būtiski nemainās, un nātrija bikarbonāts, kas pilošs ar fenolftaleīnu, adsorbē HCl. Kobalta jons iekrāsotajā silikagelā veido zaļu šķīdumu ar Cl- un pakāpeniski kļūst bezkrāsains, norādot, ka sfēriskās žāvēšanas caurules galā atrodas CO2 gāzu komplekss. Gaiši zaļo silikagelu ievieto destilētā ūdenī, un mainījušais silikagels pakāpeniski mainās uz dzeltenu, norādot, ka silikagela adsorbētais HCl ir desorbēts ūdenī. Neliels daudzums augšējā ūdens šķīduma tika pievienots sudraba nitrāta šķīdumam, kas paskābināts ar slāpekļskābi, veidojot baltas nogulsnes. Nelielu daudzumu ūdens šķīduma pilina uz plaša pH testa papīra, un testa papīrs kļūst sarkans, norādot, ka šķīdums ir skābs. Iepriekš minētie eksperimenti parāda, ka silikagelam ir spēcīga adsorbcija uz HCl gāzi. HCl ir stipri polāra molekula, un hidroksilgrupai uz silikagēla virsmas ir arī spēcīga polaritāte, un abas var veidot starpmolekulāras ūdeņraža saites vai tām ir relatīvi spēcīga dipola dipola mijiedarbība, kā rezultātā starp silīcija dioksīda virsmu veidojas relatīvi spēcīgs starpmolekulārs spēks. gēla un HCl molekulas, tāpēc silikagelam ir spēcīga HCl adsorbcija. Tāpēc silikona žāvēšanas līdzekli nevar izmantot HCl izplūdes žāvēšanai, tas ir, silikagels neadsorbē CO2 vai tikai daļēji adsorbē CO2.
Zīm. 5 Silikagela desikantu — oglekļa dioksīda — pielietojuma jomas izpēte
Lai pierādītu silikagela adsorbciju oglekļa dioksīda gāzē, tiek turpināti šādi eksperimenti. Silikagēla bumbiņa sfēriskajā žāvēšanas mēģenē tika noņemta, un daļa tika sadalīta nātrija bikarbonāta šķīdumā, kurā pilēja fenolftaleīns. Nātrija bikarbonāta šķīdums ir zaudējis krāsu. Tas parāda, ka silikagels adsorbē oglekļa dioksīdu, un pēc šķīdināšanas ūdenī oglekļa dioksīds desorbējas nātrija bikarbonāta šķīdumā, izraisot nātrija bikarbonāta šķīduma izbalēšanu. Atlikušo silikona lodītes daļu karsē sausā mēģenē, un iegūto gāzi ievada nātrija bikarbonāta šķīdumā, kurā pilināts fenolftaleīns. Drīz nātrija bikarbonāta šķīdums mainās no gaiši sarkana uz bezkrāsainu. Tas arī parāda, ka silikagelam joprojām ir CO2 gāzes adsorbcijas spēja. Tomēr silikagela adsorbcijas spēks uz CO2 ir daudz mazāks nekā HCl, NH3 un SO2, un 5. attēlā redzamā eksperimenta laikā oglekļa dioksīdu var adsorbēt tikai daļēji. Iemesls, kāpēc silikagels var daļēji adsorbēt CO2, visticamāk, ir ka silikagels un CO2 veido starpmolekulāras ūdeņraža saites Si – OH… O =C. Tā kā CO2 centrālais oglekļa atoms ir sp hibrīds un silīcija atoms silikagelā ir sp3 hibrīds, lineārā CO2 molekula labi nesadarbojas ar silikagēla virsmu, kā rezultātā silikagela adsorbcijas spēks uz oglekļa dioksīdu ir relatīvs. mazs.
3. Salīdzinājums starp četru gāzu šķīdību ūdenī un adsorbcijas stāvokli uz silikagēla virsmas No iepriekšminētajiem eksperimentu rezultātiem var redzēt, ka silikagelam ir spēcīga amonjaka, hlorūdeņraža un sēra dioksīda adsorbcijas spēja, bet neliels oglekļa dioksīda adsorbcijas spēks (sk. 1. tabulu). Tas ir līdzīgs četru gāzu šķīdībai ūdenī. Tas var būt tāpēc, ka ūdens molekulas satur hidroksi-OH, un silikagela virsma ir arī bagāta ar hidroksilgrupu, tāpēc šo četru gāzu šķīdība ūdenī ir ļoti līdzīga tās adsorbcijai uz silikagēla virsmas. No trim amonjaka gāzes, ūdeņraža hlorīda un sēra dioksīda gāzēm sēra dioksīdam ir vismazākā šķīdība ūdenī, bet pēc adsorbēšanas ar silikagelu to ir visgrūtāk desorbēt starp trim gāzēm. Pēc tam, kad silikagels adsorbē amonjaku un hlorūdeņradi, to var desorbēt ar šķīdinātāju ūdeni. Pēc tam, kad sēra dioksīda gāze ir adsorbēta ar silikagelu, to ir grūti desorbēt ar ūdeni, un tā ir jāuzsilda līdz desorbcijai no silikagēla virsmas. Tāpēc teorētiski jāaprēķina četru gāzu adsorbcija uz silikagela virsmas.
4 Silikagēla un četru gāzu mijiedarbības teorētiskais aprēķins ir parādīts kvantizācijas ORCA programmatūrā [4] blīvuma funkcionālās teorijas (DFT) ietvaros. Lai aprēķinātu mijiedarbības režīmus un enerģijas starp dažādām gāzēm un silikagelu, tika izmantota DFT D/B3LYP/Def2 TZVP metode. Lai vienkāršotu aprēķinu, silikagela cietās vielas attēlo tetramēriskas ortosilicskābes molekulas. Aprēķinu rezultāti liecina, ka H2O, NH3 un HCl var veidot ūdeņraža saites ar hidroksilgrupu uz silikagela virsmas (sk. 6.a ~ c attēlu). Tiem ir salīdzinoši spēcīga saistīšanās enerģija uz silikagēla virsmas (sk. 2. tabulu), un tie ir viegli adsorbējami uz silikagēla virsmas. Tā kā NH3 un HCl saistīšanās enerģija ir līdzīga H2O saistīšanās enerģijai, ūdens mazgāšana var izraisīt šo divu gāzes molekulu desorbciju. SO2 molekulai tās saistīšanās enerģija ir tikai -17,47 kJ/mol, kas ir daudz mazāka nekā iepriekšminētās trīs molekulas. Tomēr eksperiments apstiprināja, ka SO2 gāze viegli adsorbējas uz silikagēla, un pat mazgāšana to nevar desorbēt, un tikai karsēšana var likt SO2 izplūst no silikagēla virsmas. Tāpēc mēs uzminējām, ka SO2, visticamāk, savienosies ar H2O uz silikagēla virsmas, veidojot H2SO3 frakcijas. 6.e attēlā parādīts, ka H2 SO3 molekula vienlaikus veido trīs ūdeņraža saites ar hidroksilgrupas un skābekļa atomiem uz silikagēla virsmas, un saistīšanās enerģija ir pat -76,63 kJ/mol, kas izskaidro, kāpēc SO2 adsorbējās uz silikagelu ir grūti izvadīt ar ūdeni. Nepolārajam CO2 ir vājākā saistīšanās spēja ar silikagelu, un silikagels to var adsorbēt tikai daļēji. Lai gan arī H2 CO3 un silikagela saistīšanās enerģija sasniedza -65,65 kJ/mol, CO2 konversijas ātrums H2 CO3 nebija augsts, tāpēc tika samazināts arī CO2 adsorbcijas ātrums. No iepriekš minētajiem datiem var redzēt, ka gāzes molekulas polaritāte nav vienīgais kritērijs, lai spriestu, vai to var adsorbēt ar silikagelu, un ūdeņraža saite, kas veidojas ar silikagēla virsmu, ir galvenais iemesls tās stabilai adsorbcijai.
Silikagēla sastāvs ir SiO2 · nH2 O, silikagela milzīgais virsmas laukums un bagātīgā hidroksilgrupa uz virsmas padara silikagelu var izmantot kā netoksisku žāvētāju ar izcilu veiktspēju, un to plaši izmanto ražošanā un dzīvē. . Šajā rakstā no diviem eksperimenta un teorētiskā aprēķina aspektiem ir apstiprināts, ka silikagels caur starpmolekulārām ūdeņraža saitēm var adsorbēt NH3, HCl, SO2, CO2 un citas gāzes, tāpēc silikagelu nevar izmantot šo gāzu žāvēšanai. Silikagēla sastāvs ir SiO2 · nH2 O, silikagela milzīgais virsmas laukums un bagātīgā hidroksilgrupa uz virsmas padara silikagelu var izmantot kā netoksisku žāvētāju ar izcilu veiktspēju, un to plaši izmanto ražošanā un dzīvē. . Šajā rakstā no diviem eksperimenta un teorētiskā aprēķina aspektiem ir apstiprināts, ka silikagels caur starpmolekulārām ūdeņraža saitēm var adsorbēt NH3, HCl, SO2, CO2 un citas gāzes, tāpēc silikagelu nevar izmantot šo gāzu žāvēšanai.
３
Zīm. 6 Mijiedarbības režīmi starp dažādām molekulām un silikagela virsmu, kas aprēķināti ar DFT metodi
Izlikšanas laiks: 14. novembris 2023
