A gyártás és az élet során a szilikagél használható N2, levegő, hidrogén, földgáz [1] és így tovább szárítására. Sav és lúgok szerint a szárítószer felosztható: savas, lúgos szárító és semleges szárítószer [2]. Úgy tűnik, hogy a szilikagél egy semleges szárító, amely NH3-t, HCl-t, SO2-t stb. szárít. Elvi szempontból azonban a szilikagél ortokovasavmolekulák háromdimenziós intermolekuláris dehidratációjából áll, a fő test SiO2, és a felület gazdag hidroxilcsoportokban (lásd 1. ábra). A szilikagél azért tud vizet felvenni, mert a szilikagél felületén lévő szilícium-hidroxilcsoport molekulák közötti hidrogénkötéseket tud kialakítani a vízmolekulákkal, így vizet tud adszorbeálni, és így szárító szerepet tölt be. A színváltó szilikagél kobalt ionokat tartalmaz, és miután az adszorpciós víz eléri a telítést, a színváltó szilikagélben lévő kobalt ionok hidratált kobalt ionokká válnak, így a kék szilikagél rózsaszínűvé válik. Miután a rózsaszín szilikagélt 200 ℃-on egy ideig melegítjük, a szilikagél és a vízmolekulák közötti hidrogénkötés megszakad, és az elszíneződött szilikagél ismét kék színűvé válik, így a kovasav és a szilikagél szerkezeti diagramja Tehát, mivel a szilikagél felülete gazdag hidroxilcsoportokban, a szilikagél felülete intermolekuláris hidrogénkötéseket is kialakíthat NH3-mal és HCl-al stb., és előfordulhat, hogy nem lehet NH3 és HCl szárítóanyaga, és a meglévő szakirodalomban nincs erre vonatkozó jelentés. Szóval mik voltak az eredmények? Ez az alany a következő kísérleti kutatást végezte.
FÜGE. 1 Az orto-kovasav és a szilikagél szerkezeti diagramja
2 Kísérlet rész
2.1 A szilikagél szárítószer alkalmazási körének feltárása – ammónia Először az elszíneződött szilikagélt desztillált vízbe, illetve tömény ammóniás vízbe helyeztük. Az elszíneződött szilikagél desztillált vízben rózsaszínűvé válik; A tömény ammóniában a színváltó szilikon először pirosra, majd lassan világoskékre színeződik. Ez azt mutatja, hogy a szilikagél képes felszívni az ammóniában lévő NH3-t vagy NH3 ·H2O-t. A 2. ábrán látható módon a szilárd kalcium-hidroxidot és az ammónium-kloridot egyenletesen összekeverjük és felmelegítjük egy kémcsőben. A keletkező gázt lúgos mésszel, majd szilikagéllel távolítják el. A szilikagél színe a bemeneti irány közelében világosabbá válik (a 2. ábrán látható szilikagél szárítószer alkalmazási körének színét vizsgáljuk – ammónia 73, a 2023-as 8. fázis lényegében megegyezik az átitatott szilikagél színével tömény ammóniás vízben), és a pH tesztpapíron nincs nyilvánvaló változás. Ez azt jelzi, hogy a képződött NH3 nem érte el a pH tesztpapírt, és teljesen adszorbeálódott. Egy idő után állítsa le a melegítést, vegye ki a szilikagél golyó egy kis részét, tegye a desztillált vízbe, adjon hozzá fenolftaleint a vízhez, az oldat pirosra vált, jelezve, hogy a szilikagél erős adszorpciós hatással rendelkezik. NH3, a desztillált víz leválasztása után NH3 kerül a desztillált vízbe, az oldat lúgos. Ezért, mivel a szilikagél erős adszorpcióval rendelkezik az NH3-hoz, a szilikon szárítószer nem tudja szárítani az NH3-t.
FÜGE. 2 A szilikagél szárítószer – ammónia – alkalmazási körének feltárása
2.2 A szilikagél szárítószer alkalmazási körének feltárása – a hidrogén-klorid először a NaCl szilárd anyagokat égeti el alkohollámpa lángjával, hogy eltávolítsa a szilárd összetevőkben lévő nedves vizet. A minta lehűtése után tömény kénsavat adnak a szilárd NaCl-hoz, hogy azonnal nagyszámú buborék keletkezzen. A keletkezett gázt szilikagélt tartalmazó gömb alakú szárítócsőbe vezetjük, és a szárítócső végére nedves pH-mérőpapírt helyezünk. A szilikagél az elülső végén világoszöld színűvé válik, és a nedves pH tesztpapíron nincs nyilvánvaló változás (lásd 3. ábra). Ez azt mutatja, hogy a keletkezett HCl gázt a szilikagél teljesen adszorbeálja, és nem kerül ki a levegőbe.
3. ábra A szilikagél szárítószer – hidrogén-klorid – alkalmazási körének kutatása
A HCl-t adszorbeált és világoszöldre színezett szilikagélt egy kémcsőbe helyeztük. Tedd a kémcsőbe az új kék szilikagélt, adj hozzá tömény sósavat, a szilikagél is világoszöld színű lesz, a két szín alapvetően megegyezik. Ez mutatja a szilikagél gázt a gömb alakú szárítócsőben.
2.3 Szilikagél szárítószer – kén-dioxid alkalmazási körének feltárása Tömény kénsav kevert nátrium-tioszulfát szilárd anyaggal (lásd 4. ábra), NA2s2 O3 +H2 SO4 ==Na2 SO4 +SO2 ↑+S↓+H2 O; A keletkezett gázt átvezetik az elszíneződött szilikagélt tartalmazó szárítócsövön, az elszíneződött szilikagél világoskék-zöld lesz, és a nedves tesztpapír végén a kék lakmuszpapír nem változik jelentősen, ami azt jelzi, hogy a keletkezett SO2 gáz teljesen adszorbeálta a szilikagél golyót, és nem tud kiszabadulni.
FÜGE. 4 A szilikagél szárítószer – kén-dioxid – alkalmazási körének feltárása
Vegyük le a szilikagél golyó egy részét, és tegyük desztillált vízbe. A teljes egyensúly után vegyen egy kis vízcseppet a kék lakmuszpapírra. A tesztpapír nem változik jelentősen, ami azt jelzi, hogy a desztillált víz nem elegendő a SO2 deszorbeálásához a szilikagélből. Vegyünk egy kis részt a szilikagél golyóból, és melegítsük fel a kémcsőben. Tegyen nedves kék lakmuszpapírt a kémcső szájába. A kék lakmuszpapír pirosra vált, ami azt jelzi, hogy a melegítés hatására az SO2 gáz deszorbeálódik a szilikagél golyóból, így a lakmuszpapír pirossá válik. A fenti kísérletek azt mutatják, hogy a szilikagél erős adszorpciós hatással is rendelkezik SO2-ra vagy H2SO3-ra, és nem használható SO2-gáz szárítására.
2.4 A szilikagél szárítószer – szén-dioxid – alkalmazási körének feltárása
Amint az 5. ábrán látható, a fenolftaleint csepegtető nátrium-hidrogén-karbonát oldat világosvörösnek tűnik. A szilárd nátrium-hidrogén-karbonátot felmelegítjük, és a kapott gázelegyet szárított szilikagél gömböket tartalmazó szárítócsövön engedjük át. A szilikagél nem változik jelentősen, és a fenolftaleinnel csöpögő nátrium-hidrogén-karbonát adszorbeálja a HCl-t. Az elszíneződött szilikagélben lévő kobaltion zöld oldatot képez Cl-val, és fokozatosan színtelenné válik, jelezve, hogy a gömb alakú szárítócső végén CO2 gázkomplex található. A világoszöld szilikagélt desztillált vízbe helyezzük, és az elszíneződött szilikagél fokozatosan sárgára változik, jelezve, hogy a szilikagél által adszorbeált HCl deszorbeálódott a vízben. A felső vizes oldat kis mennyiségét a salétromsavval megsavanyított ezüst-nitrát oldathoz adjuk, így fehér csapadék képződik. Kis mennyiségű vizes oldatot csepegtetünk sokféle pH-mérőpapírra, és a tesztpapír pirosra vált, jelezve, hogy az oldat savas. A fenti kísérletek azt mutatják, hogy a szilikagél erős adszorpcióval rendelkezik a HCl gázhoz. A HCl erősen poláros molekula, és a szilikagél felületén lévő hidroxilcsoport is erős polaritású, és a kettő között intermolekuláris hidrogénkötések jöhetnek létre, vagy viszonylag erős dipólus-dipólus kölcsönhatás léphet fel, ami viszonylag erős intermolekuláris erőt eredményez a szilícium-dioxid felülete között. gél és HCl molekulák, így a szilikagél erős HCl-adszorpcióval rendelkezik. Emiatt szilikon szárítószer nem használható a HCl kiszűrésére, vagyis a szilikagél nem, vagy csak részben adszorbeálja a CO2-t.
FÜGE. 5 A szilikagél szárítószer – szén-dioxid – alkalmazási körének feltárása
A szilikagél szén-dioxid-gázhoz való adszorpciójának bizonyítására a következő kísérleteket folytatjuk. A gömb alakú szárítócsőben lévő szilikagél golyót eltávolítottuk, és a részt fenolftaleint csepegtető nátrium-hidrogén-karbonát oldatba osztották. A nátrium-hidrogén-karbonát oldat elszíneződött. Ez azt mutatja, hogy a szilikagél adszorbeálja a szén-dioxidot, és miután vízben oldódik, a szén-dioxid nátrium-hidrogén-karbonát oldatba deszorbeálódik, így a nátrium-hidrogén-karbonát oldat elhalványul. A szilikongolyó fennmaradó részét száraz kémcsőben melegítjük, és a keletkező gázt fenolftaleinnel csöpögtetett nátrium-hidrogén-karbonát-oldatba vezetjük. Hamarosan a nátrium-hidrogén-karbonát oldat világosvörösről színtelenre változik. Ez azt is mutatja, hogy a szilikagél még mindig rendelkezik adszorpciós kapacitással a CO2 gáz számára. Azonban a szilikagél adszorpciós ereje a CO2-n sokkal kisebb, mint a HCl-é, az NH3-é és a SO2-é, és a szén-dioxid csak részben adszorbeálható az 5. ábrán látható kísérlet során. Valószínűleg a szilikagél részben adszorbeálhatja a CO2-t. hogy a szilikagél és a CO2 intermolekuláris hidrogénkötéseket hoz létre Si — OH… O =C. Mivel a CO2 központi szénatomja sp hibrid, a szilikagél szilícium atomja pedig sp3 hibrid, a lineáris CO2 molekula nem működik jól a szilikagél felületével, ami azt eredményezi, hogy a szilikagél adszorpciós ereje a szén-dioxidon viszonylag kicsi. kicsi.
3.A négy gáz vízben való oldhatósága és a szilikagél felületi adszorpciós állapotának összehasonlítása A fenti kísérleti eredményekből látható, hogy a szilikagél erős adszorpciós képességgel rendelkezik az ammónia, a hidrogén-klorid és a kén-dioxid esetében, de kis adszorpciós erő a szén-dioxidhoz (lásd 1. táblázat). Ez hasonló a négy gáz vízben való oldhatóságához. Ennek oka az lehet, hogy a vízmolekulák hidroxi-OH-t tartalmaznak, és a szilikagél felülete is gazdag hidroxilben, így ennek a négy gáznak a vízben való oldhatósága nagyon hasonlít a szilikagél felületén történő adszorpciójához. A három gáz, az ammóniagáz, a hidrogén-klorid és a kén-dioxid közül a kén-dioxid oldódik a legkisebb vízben, de a szilikagél adszorpciója után a legnehezebb a deszorpció a három gáz közül. Miután a szilikagél megköti az ammóniát és a hidrogén-kloridot, oldószeres vízzel deszorbeálható. Miután a kén-dioxid gázt a szilikagél adszorbeálta, nehéz vízzel deszorpálni, és a szilikagél felületéről deszorpcióig kell melegíteni. Ezért elméletileg ki kell számítani négy gáz adszorpcióját a szilikagél felületén.
4 A szilikagél és négy gáz kölcsönhatásának elméleti számítását a kvantumizációs ORCA szoftver [4] mutatja be a densityfunctional theory (DFT) keretében. A különböző gázok és a szilikagél közötti kölcsönhatási módok és energiák kiszámításához a DFT D/B3LYP/Def2 TZVP módszert alkalmaztuk. A számítás egyszerűsítése érdekében a szilikagél szilárd anyagokat tetramer ortokovasav molekulák képviselik. A számítási eredmények azt mutatják, hogy a H2O, az NH3 és a HCl mind hidrogénkötést képezhet a szilikagél felületén lévő hidroxilcsoporttal (lásd 6a ~ c ábra). Viszonylag erős kötési energiával rendelkeznek a szilikagél felületén (lásd 2. táblázat), és könnyen adszorbeálódnak a szilikagél felületén. Mivel az NH3 és a HCl kötési energiája hasonló a H2O-éhoz, a vízmosás e két gázmolekula deszorpciójához vezethet. A SO2 molekula kötési energiája mindössze -17,47 kJ/mol, ami jóval kisebb, mint a fenti három molekula. A kísérlet azonban megerősítette, hogy a SO2 gáz könnyen adszorbeálódik a szilikagélen, és még mosás sem tudja deszorbeálni, és csak melegítéssel lehet a szilikagél felületéről kijutni. Ezért azt sejtettük, hogy a szilikagél felületén a SO2 valószínűleg H2O-val egyesül, és H2SO3-frakciókat képez. A 6e ábrán látható, hogy a H2SO3 molekula egyszerre három hidrogénkötést hoz létre a szilikagél felületén lévő hidroxil- és oxigénatomokkal, és a kötési energia akár -76,63 kJ/mol, ami megmagyarázza, hogy a SO2 miért adszorbeálódott a szilikagél felületén. a szilikagél vízzel nehezen eltávolítható. A nem poláris CO2 szilikagélnél a leggyengébb kötőképességgel rendelkezik, és csak részben adszorbeálható a szilikagélnél. Bár a H2 CO3 és a szilikagél kötési energiája is elérte a -65,65 kJ/mol-t, a CO2 átalakulási sebessége H2 CO3-dá nem volt magas, így a CO2 adszorpciós sebessége is csökkent. A fenti adatokból látható, hogy a gázmolekula polaritása nem az egyetlen kritérium annak megítélésére, hogy szilikagél adszorbeálható-e, hanem a szilikagél felületével kialakuló hidrogénkötés a fő oka annak, hogy stabil adszorpciója van.
A szilikagél összetétele SiO2 · nH2 O, a szilikagél hatalmas felülete és a felületen található gazdag hidroxilcsoport miatt a szilikagél kiváló teljesítményű, nem mérgező szárítóként használható, és széles körben használják a gyártásban és az életben. . Ebben a cikkben két kísérleti és elméleti számítási szempont is alátámasztja, hogy a szilikagél intermolekuláris hidrogénkötéseken keresztül képes adszorbeálni NH3, HCl, SO2, CO2 és egyéb gázokat, így a szilikagél nem használható ezen gázok szárítására. A szilikagél összetétele SiO2 · nH2 O, a szilikagél hatalmas felülete és a felületen található gazdag hidroxilcsoport miatt a szilikagél kiváló teljesítményű, nem mérgező szárítóként használható, és széles körben használják a gyártásban és az életben. . Ebben a cikkben két kísérleti és elméleti számítási szempont is alátámasztja, hogy a szilikagél intermolekuláris hidrogénkötéseken keresztül képes adszorbeálni NH3, HCl, SO2, CO2 és egyéb gázokat, így a szilikagél nem használható ezen gázok szárítására.
３
FÜGE. 6 A különböző molekulák és a szilikagél felület közötti kölcsönhatási módok DFT módszerrel kiszámítva
Feladás időpontja: 2023. november 14
