Ve výrobě a životě lze silikagel použít k sušení N2, vzduchu, vodíku, zemního plynu [1] a tak dále. Podle kyseliny a zásady lze vysoušedlo rozdělit na: kyselé vysoušedlo, alkalické vysoušedlo a neutrální vysoušedlo [2]. Silikagel se jeví jako neutrální vysoušeč, který zdánlivě suší NH3, HCl, SO2 atd. Z principiálního hlediska je však silikagel složen z trojrozměrné intermolekulární dehydratace molekul kyseliny orthokřemičité, hlavní těleso je SiO2, a povrch je bohatý na hydroxylové skupiny (viz obrázek 1). Důvod, proč silikagel může absorbovat vodu, je ten, že hydroxylová skupina křemíku na povrchu silikagelu může vytvářet mezimolekulární vodíkové vazby s molekulami vody, takže může adsorbovat vodu a hrát tak vysoušecí roli. Silikagel měnící barvu obsahuje ionty kobaltu a poté, co adsorpční voda dosáhne nasycení, ionty kobaltu v silikagelu měnícím barvu se stanou hydratovanými ionty kobaltu, takže modrý silikagel zrůžoví. Po zahřátí růžového silikagelu na 200 °C po určitou dobu se vodíková vazba mezi silikagelem a molekulami vody přeruší a zabarvený silikagel opět zmodrá, takže strukturní diagram kyseliny křemičité a silikagelu může být znovu použit, jak je znázorněno na obrázku 1. Takže, protože povrch silikagelu je bohatý na hydroxylové skupiny, povrch silikagelu může také tvořit mezimolekulární vodíkové vazby s NH3 a HCl atd., a nemusí existovat žádný způsob, jak působit jako desikant NH3 a HCl a v existující literatuře není žádná relevantní zpráva. Jaké byly výsledky? Tento subjekt provedl následující experimentální výzkum.
OBR. 1 Strukturní diagram kyseliny ortho-křemičité a silikagelu
2 Část experimentu
2.1 Prozkoumání rozsahu použití vysoušedla silikagelu – amoniak Nejprve byl odbarvený silikagel umístěn do destilované vody a koncentrované čpavkové vody. Odbarvený silikagel v destilované vodě zrůžoví; V koncentrovaném čpavku se barva měnící silikon nejprve zbarví do červena a pomalu do světle modré. To ukazuje, že silikagel může absorbovat NH3 nebo NH3 · H20 v amoniaku. Jak je znázorněno na obrázku 2, pevný hydroxid vápenatý a chlorid amonný jsou rovnoměrně smíchány a zahřívány ve zkumavce. Vzniklý plyn se odstraní alkalickým vápnem a poté silikagelem. Barva silikagelu v blízkosti směru vstupu se zesvětlí (prozkoumá se barva rozsahu použití silikagelu s vysoušedlem na obrázku 2 — amoniak 73, 8. fáze roku 2023 je v podstatě stejná jako barva napuštěného silikagelu v koncentrované čpavkové vodě) a testovací papírek pH nemá žádnou zjevnou změnu. To znamená, že produkovaný NH3 nedosáhl pH testovacího papírku a byl zcela adsorbován. Po určité době zahřívání zastavte, vyjměte malou část silikagelové koule, vložte ji do destilované vody, přidejte do vody fenolftalein, roztok zčervená, což naznačuje, že silikagel má silný adsorpční účinek na NH3, po odpojení destilované vody vstupuje NH3 do destilované vody, roztok je alkalický. Proto, protože silikagel má silnou adsorpci pro NH3, silikonové sušicí činidlo nemůže vysušit NH3.
OBR. 2 Prozkoumání rozsahu použití silikagelového vysoušedla – amoniaku
2.2 Prozkoumání rozsahu použití vysoušedla silikagelu – chlorovodík nejprve spaluje pevné NaCl plamenem alkoholové lampy, aby se odstranila vlhká voda v pevných složkách. Po ochlazení vzorku se k pevnému NaCl přidá koncentrovaná kyselina sírová, aby se okamžitě vytvořilo velké množství bublin. Vytvořený plyn se vede do kulovité sušící trubice obsahující silikagel a na konec sušící trubice se umístí vlhký testovací papírek pH. Silikagel na přední straně se zbarví světle zeleně a vlhký testovací papírek pH nemá žádnou zjevnou změnu (viz obrázek 3). To ukazuje, že vytvořený plynný HCl je zcela adsorbován silikagelem a neuniká do vzduchu.
Obrázek 3 Průzkum rozsahu použití silikagelu s vysoušedlem – chlorovodíkem
Silikagel adsorboval HC1 a zbarvil se do světle zeleně a byl umístěn do zkumavky. Vložte nový modrý silikagel do zkumavky, přidejte koncentrovanou kyselinu chlorovodíkovou, silikagel také získá světle zelenou barvu, dvě barvy jsou v podstatě stejné. To ukazuje plyn silikagelu v kulové sušící trubici.
2.3 Prozkoumání rozsahu použití silikagelového vysoušedla – oxid siřičitý Směs koncentrované kyseliny sírové s pevným thiosíranem sodným (viz obrázek 4), NA2s2 O3 +H2 SO4 ==Na2 SO4 +SO2 ↑+S↓+H2 O; Vytvořený plyn prochází sušící trubicí obsahující odbarvený silikagel, zabarvený silikagel se změní na světle modrozelený a modrý lakmusový papírek na konci vlhkého testovacího papírku se významně nemění, což naznačuje, že vzniklý plyn SO2 se změnil byly zcela adsorbovány kuličkou silikagelu a nemohou uniknout.
OBR. 4 Prozkoumání rozsahu použití silikagelového vysoušedla – oxidu siřičitého
Odstraňte část silikagelové koule a vložte ji do destilované vody. Po úplném vyvážení naneste malé množství kapky vody na modrý lakmusový papírek. Testovací papír se významně nemění, což ukazuje, že destilovaná voda nestačí k desorbci SO2 ze silikagelu. Vezměte malou část silikagelové koule a zahřejte ji ve zkumavce. Vložte vlhký modrý lakmusový papír do ústí zkumavky. Modrý lakmusový papírek zčervená, což naznačuje, že zahříváním se plyn SO2 desorbuje z kuličky silikagelu, takže lakmusový papírek zčervená. Výše uvedené experimenty ukazují, že silikagel má také silný adsorpční účinek na SO2 nebo H2SO3 a nelze jej použít pro sušení plynného SO2.
2.4 Prozkoumání rozsahu použití vysoušedla silikagelu – oxidu uhličitého
Jak je znázorněno na obrázku 5, roztok hydrogenuhličitanu sodného kapající fenolftalein vypadá světle červeně. Pevný hydrogenuhličitan sodný se zahřívá a výsledná plynná směs se vede přes sušící trubici obsahující vysušené kuličky silikagelu. Silikagel se výrazně nemění a hydrogenuhličitan sodný kapající s fenolftaleinem adsorbuje HCl. Iont kobaltu v odbarveném silikagelu tvoří zelený roztok s Cl- a postupně se stává bezbarvým, což ukazuje, že na konci kulovité sušící trubice je plynný komplex CO2. Světle zelený silikagel se umístí do destilované vody a odbarvený silikagel se postupně změní na žlutou, což ukazuje, že HCl adsorbovaný silikagelem byl desorbován do vody. Malé množství horního vodného roztoku bylo přidáno do roztoku dusičnanu stříbrného okyseleného kyselinou dusičnou za vzniku bílé sraženiny. Malé množství vodného roztoku se nakape na testovací papírek s širokým rozsahem pH a testovací papírek zčervená, což znamená, že roztok je kyselý. Výše uvedené experimenty ukazují, že silikagel má silnou adsorpci na plynný HCl. HCl je silně polární molekula a hydroxylová skupina na povrchu silikagelu má také silnou polaritu a tyto dvě mohou tvořit mezimolekulární vodíkové vazby nebo mít relativně silnou dipólovou dipólovou interakci, což vede k relativně silné mezimolekulární síle mezi povrchem silikagelu. gel a molekuly HCl, takže silikagel má silnou adsorpci HCl. Silikonové vysoušedlo proto nelze použít k vysušení úniku HCl, to znamená, že silikagel neadsorbuje CO2 nebo jen částečně adsorbuje CO2.
OBR. 5 Prozkoumání rozsahu použití silikagelového vysoušedla – oxidu uhličitého
Aby se prokázala adsorpce silikagelu na plynný oxid uhličitý, pokračují následující experimenty. Kulička silikagelu v kulovité sušicí trubici byla odstraněna a část byla rozdělena do roztoku hydrogenuhličitanu sodného kapajícího fenolftalein. Roztok hydrogenuhličitanu sodného byl odbarven. To ukazuje, že silikagel adsorbuje oxid uhličitý a po rozpuštění ve vodě se oxid uhličitý desorbuje do roztoku hydrogenuhličitanu sodného, čímž roztok hydrogenuhličitanu sodného vybledne. Zbývající část silikonové kuličky se zahřeje v suché zkumavce a vzniklý plyn se vede do roztoku hydrogenuhličitanu sodného pokapaného fenolftaleinem. Brzy se roztok hydrogenuhličitanu sodného změní ze světle červené na bezbarvou. To také ukazuje, že silikagel má stále adsorpční kapacitu pro plynný CO2. Adsorpční síla silikagelu na CO2 je však mnohem menší než u HCl, NH3 a SO2 a oxid uhličitý může být během experimentu na obrázku 5 adsorbován pouze částečně. Důvodem, proč může silikagel částečně adsorbovat CO2, je pravděpodobně že silikagel a CO2 tvoří mezimolekulární vodíkové vazby Si — OH… O =C. Protože centrální atom uhlíku CO2 je sp hybrid a atom křemíku v silikagelu je sp3 hybrid, lineární molekula CO2 dobře nespolupracuje s povrchem silikagelu, což má za následek, že adsorpční síla silikagelu na oxid uhličitý je relativně vysoká. malý.
3. Porovnání mezi rozpustností čtyř plynů ve vodě a adsorpčním stavem na povrchu silikagelu Z výše uvedených experimentálních výsledků je vidět, že silikagel má silnou adsorpční kapacitu pro amoniak, chlorovodík a oxid siřičitý, ale malá adsorpční síla pro oxid uhličitý (viz tabulka 1). To je podobné rozpustnosti čtyř plynů ve vodě. To může být způsobeno tím, že molekuly vody obsahují hydroxy-OH a povrch silikagelu je také bohatý na hydroxyl, takže rozpustnost těchto čtyř plynů ve vodě je velmi podobná jeho adsorpci na povrchu silikagelu. Ze tří plynů plynného amoniaku, chlorovodíku a oxidu siřičitého má oxid siřičitý nejmenší rozpustnost ve vodě, ale poté, co byl adsorbován silikagelem, je ze všech tří plynů nejobtížnější k desorpci. Poté, co silikagel adsorbuje amoniak a chlorovodík, může být desorbován vodou s rozpouštědlem. Poté, co je plynný oxid siřičitý adsorbován silikagelem, je obtížné jej desorpovat vodou a musí být zahřát na desorpci z povrchu silikagelu. Proto je třeba teoreticky vypočítat adsorpci čtyř plynů na povrchu silikagelu.
4 Teoretický výpočet interakce mezi silikagelem a čtyřmi plyny je uveden v kvantovém softwaru ORCA [4] v rámci teorie funkcionálu hustoty (DFT). K výpočtu režimů interakce a energií mezi různými plyny a silikagelem byla použita metoda DFT D/B3LYP/Def2 TZVP. Pro zjednodušení výpočtu jsou pevné látky silikagelu reprezentovány molekulami tetramerní kyseliny orthokřemičité. Výsledky výpočtu ukazují, že H20, NH3 a HCl mohou všechny tvořit vodíkové vazby s hydroxylovou skupinou na povrchu silikagelu (viz obrázek 6a ~ c). Mají relativně silnou vazebnou energii na povrchu silikagelu (viz tabulka 2) a snadno se adsorbují na povrchu silikagelu. Protože vazebná energie NH3 a HCl je podobná energii H20, může promývání vodou vést k desorpci těchto dvou molekul plynu. U molekuly SO2 je její vazebná energie pouze -17,47 kJ/mol, což je mnohem menší než u výše uvedených tří molekul. Experiment však potvrdil, že plynný SO2 se na silikagelu snadno adsorbuje a ani mytí jej nedokáže desorbovat a pouze zahřátím může SO2 uniknout z povrchu silikagelu. Proto jsme uhodli, že SO2 se pravděpodobně spojí s H20 na povrchu silikagelu za vzniku frakcí H2SO3. Obrázek 6e ukazuje, že molekula H2SO3 tvoří tři vodíkové vazby s hydroxylovými a kyslíkovými atomy na povrchu silikagelu a vazebná energie je až -76,63 kJ/mol, což vysvětluje, proč se SO2 adsorbuje na Silikagel se obtížně vymývá vodou. Nepolární CO2 má nejslabší vazebnou schopnost se silikagelem a může být silikagelem pouze částečně adsorbován. Přestože vazebná energie H2CO3 a silikagelu také dosáhla -65,65 kJ/mol, rychlost konverze CO2 na H2CO3 nebyla vysoká, takže rychlost adsorpce CO2 byla také snížena. Z výše uvedených údajů je vidět, že polarita molekuly plynu není jediným kritériem pro posouzení, zda může být adsorbována silikagelem, a vodíková vazba vytvořená s povrchem silikagelu je hlavním důvodem její stabilní adsorpce.
Složení silikagelu je SiO2 · nH2 O, obrovský povrch silikagelu a bohatá hydroxylová skupina na povrchu činí silikagel použitelný jako netoxická sušička s vynikajícím výkonem a je široce používán ve výrobě a životnosti . V tomto článku je ze dvou aspektů experimentu a teoretického výpočtu potvrzeno, že silikagel může adsorbovat NH3, HCl, SO2, CO2 a další plyny prostřednictvím mezimolekulárních vodíkových vazeb, takže silikagel nelze použít k sušení těchto plynů. Složení silikagelu je SiO2 · nH2 O, obrovský povrch silikagelu a bohatá hydroxylová skupina na povrchu činí silikagel použitelný jako netoxická sušička s vynikajícím výkonem a je široce používán ve výrobě a životnosti . V tomto článku je ze dvou aspektů experimentu a teoretického výpočtu potvrzeno, že silikagel může adsorbovat NH3, HCl, SO2, CO2 a další plyny prostřednictvím mezimolekulárních vodíkových vazeb, takže silikagel nelze použít k sušení těchto plynů.
３
OBR. 6 Interakční režimy mezi různými molekulami a povrchem silikagelu vypočtené metodou DFT
Čas odeslání: 14. listopadu 2023
