Tuotannossa ja elämässä silikageeliä voidaan käyttää kuivaamaan N2, ilmaa, vetyä, maakaasua [1] ja niin edelleen. Hapon ja alkalin mukaan kuivausaine voidaan jakaa: happokuivausaineeseen, emäksiseen kuivausaineeseen ja neutraaliin kuivausaineeseen [2]. Silikageeli näyttää olevan neutraali kuivaaja, joka näyttää kuivaavan NH3:a, HCl:a, SO2:ta jne. Kuitenkin periaatteessa silikageeli koostuu kolmiulotteisesta ortopiihappomolekyylien molekyylien välisestä dehydraatiosta, jonka pääosa on SiO2, ja pinta on runsaasti hydroksyyliryhmiä (katso kuva 1). Syy siihen, miksi silikageeli voi imeä vettä, on se, että piihydroksyyliryhmä silikageelin pinnalla voi muodostaa molekyylien välisiä vetysidoksia vesimolekyylien kanssa, joten se voi adsorboida vettä ja siten toimia kuivattavana. Väriä vaihtava silikageeli sisältää koboltti-ioneja, ja adsorptioveden kyllästyessä väriä vaihtavan silikageelin koboltti-ioneista tulee hydratoituneita koboltti-ioneja, jolloin sininen silikageeli muuttuu vaaleanpunaiseksi. Kun vaaleanpunaista silikageeliä on kuumennettu 200 ℃:ssa jonkin aikaa, silikageelin ja vesimolekyylien välinen vetysidos katkeaa ja värjäytynyt silikageeli muuttuu jälleen siniseksi, joten piihapon ja silikageelin rakennekaavio voi voidaan käyttää uudelleen kuvan 1 mukaisesti. Joten koska silikageelin pinnalla on runsaasti hydroksyyliryhmiä, silikageelin pinta voi myös muodostaa molekyylien välisiä vetysidoksia NH3:n ja HCl:n jne. kanssa, eikä ehkä ole mitään keinoa toimia NH3:n ja HCl:n kuivausaine, eikä olemassa olevasta kirjallisuudesta ole vastaavaa raporttia. Joten mitkä olivat tulokset? Tämä henkilö on tehnyt seuraavan kokeellisen tutkimuksen.
KUVA. 1 Ortopiihapon ja silikageelin rakennekaavio
2 Kokeiluosa
2.1 Silikageelikuivausaineen käyttöalueen tutkiminen — Ammoniakki Ensin värjääntynyt silikageeli asetettiin tislattuun veteen ja väkevöityyn ammoniakkiveteen. Värjätty silikageeli muuttuu vaaleanpunaiseksi tislatussa vedessä; Väkevässä ammoniakkissa väriä vaihtava silikoni muuttuu ensin punaiseksi ja hitaasti vaaleansiniseksi. Tämä osoittaa, että silikageeli voi absorboida NH3:a tai NH3 · H2O:ta ammoniakissa. Kuten kuvassa 2 esitetään, kiinteä kalsiumhydroksidi ja ammoniumkloridi sekoitetaan tasaisesti ja kuumennetaan koeputkessa. Syntynyt kaasu poistetaan alkalikalkilla ja sitten silikageelillä. Silikageelin väri lähellä sisääntulosuuntaa vaalenee (tutkitaan kuvan 2 silikageelikuivausaineen käyttöalueen väriä — ammoniakki 73, 8. vaihe 2023 on periaatteessa sama kuin liotetun silikageelin väri väkevässä ammoniakkivedessä), eikä pH-testipaperissa ole ilmeistä muutosta. Tämä osoittaa, että muodostunut NH3 ei ole saavuttanut pH-koepaperia ja se on adsorboitunut kokonaan. Jonkin ajan kuluttua lopeta kuumennus, ota pieni osa silikageelipallosta, laita se tislattuun veteen, lisää veteen fenoliftaleiinia, liuos muuttuu punaiseksi, mikä osoittaa, että silikageelillä on voimakas adsorptiovaikutus. NH3, kun tislattu vesi on irrotettu, NH3 tulee tislattuun veteen, liuos on emäksinen. Siksi, koska silikageelillä on voimakas NH3:n adsorptio, silikonikuivatusaine ei voi kuivata NH3:a.
KUVA. 2 Silikageelikuivausaineen – ammoniakin – käyttöalueen selvitys
2.2 Silikageelikuivausaineen käyttöalueen selvitys – kloorivety polttaa ensin NaCl-kiintoaineet alkoholilampun liekillä poistaakseen kiinteiden komponenttien sisältämän märän veden. Kun näyte on jäähdytetty, väkevää rikkihappoa lisätään NaCl-kiintoaineisiin, jolloin muodostuu välittömästi suuri määrä kuplia. Syntynyt kaasu johdetaan pallomaiseen silikageeliä sisältävään kuivausputkeen ja kuivausputken päähän asetetaan märkä pH-testipaperi. Etupään silikageeli muuttuu vaaleanvihreäksi, eikä märällä pH-testipaperilla ole selvää muutosta (katso kuva 3). Tämä osoittaa, että muodostunut HCl-kaasu adsorboituu täysin silikageeliin eikä karkaa ilmaan.
Kuva 3 Tutkimus silikageelikuivausaineen — kloorivedyn — käyttöalueesta
Silikageeli adsorboi HCl:a ja muuttui vaaleanvihreäksi laitettiin koeputkeen. Laita uusi sininen silikageeli koeputkeen, lisää väkevää suolahappoa, silikageelistä tulee myös vaaleanvihreä väri, kaksi väriä ovat periaatteessa samat. Tämä näyttää silikageelikaasun pallomaisessa kuivausputkessa.
2.3 Silikageelikuivausaineen — rikkidioksidin — käyttöalueen selvitys Konsentroitu rikkihappo sekoitettu natriumtiosulfaattikiintoaineen kanssa (katso kuva 4), NA2s2 O3 +H2 SO4 ==Na2 SO4 +SO2 ↑+S↓+H2 O; Syntynyt kaasu johdetaan värjäytyneen silikageelin sisältävän kuivausputken läpi, värjäytynyt silikageeli muuttuu vaalean sinivihreäksi ja sininen lakmuspaperi märän testipaperin päässä ei muutu merkittävästi, mikä osoittaa, että syntyvä SO2-kaasu on on täysin adsorboitunut silikageelipallon toimesta eivätkä voi paeta.
KUVA. 4 Silikageelikuivausaineen — rikkidioksidin — käyttöalueen selvitys
Ota osa silikageelipallosta pois ja laita se tislattuun veteen. Kun tasapaino on täynnä, ota pieni määrä vettä siniselle lakmuspaperille. Koepaperi ei muutu merkittävästi, mikä osoittaa, että tislattu vesi ei riitä desorboimaan SO2:ta silikageelistä. Ota pieni osa silikageelipallosta ja kuumenna se koeputkessa. Laita märkä sininen lakmuspaperi koeputken suulle. Sininen lakmuspaperi muuttuu punaiseksi, mikä osoittaa, että kuumennus saa SO2-kaasun desoroitumaan silikageelipallosta, jolloin lakmuspaperi muuttuu punaiseksi. Yllä olevat kokeet osoittavat, että silikageelillä on myös voimakas adsorptiovaikutus SO2:lle tai H2SO3:lle, eikä sitä voida käyttää SO2-kaasun kuivaamiseen.
2.4 Silikageelikuivausaineen – hiilidioksidin – käyttöalueen selvitys
Kuten kuvasta 5 näkyy, fenolftaleiinia tiputtava natriumbikarbonaattiliuos näyttää vaaleanpunaiselta. Kiinteä natriumbikarbonaatti kuumennetaan ja saatu kaasuseos johdetaan kuivausputken läpi, joka sisältää kuivattuja silikageelipalloja. Silikageeli ei muutu merkittävästi ja fenolftaleiinin kanssa tippuva natriumbikarbonaatti adsorboi HCl:n. Värin muuttuneen silikageelin koboltti-ioni muodostaa vihreän liuoksen Cl-:n kanssa ja muuttuu vähitellen värittömäksi, mikä osoittaa, että pallomaisen kuivausputken päässä on CO2-kaasukompleksi. Vaaleanvihreä silikageeli laitetaan tislattuun veteen, ja värjäytynyt silikageeli muuttuu vähitellen keltaiseksi, mikä osoittaa, että silikageeliin adsorboitu HCl on desorboitunut veteen. Pieni määrä ylempää vesipitoista liuosta lisättiin typpihapolla happamaksi tehtyyn hopeanitraattiliuokseen, jolloin muodostui valkoinen sakka. Pieni määrä vesiliuosta tiputetaan laajalle pH-arvopaperille, ja testipaperi muuttuu punaiseksi, mikä osoittaa, että liuos on hapan. Yllä olevat kokeet osoittavat, että silikageelillä on voimakas adsorptio HCl-kaasuun. HCl on vahvasti polaarinen molekyyli, ja myös silikageelin pinnan hydroksyyliryhmällä on voimakas polaarisuus, ja nämä kaksi voivat muodostaa molekyylien välisiä vetysidoksia tai niillä on suhteellisen vahva dipolidipolivuorovaikutus, mikä johtaa suhteellisen vahvaan molekyylien väliseen voimaan piidioksidin pinnan välillä. geeli- ja HCl-molekyylejä, joten silikageelillä on voimakas HCl-adsorptio. Siksi silikonikuivatusainetta ei voida käyttää kuivaamaan HCl:a, eli silikageeli ei adsorboi CO2:ta tai adsorboi vain osittain CO2:ta.
KUVA. 5 Silikageelikuivausaineen – hiilidioksidin – käyttöalueen selvitys
Silikageelin adsorption osoittamiseksi hiilidioksidikaasuun jatketaan seuraavia kokeita. Pallomaisessa kuivausputkessa oleva silikageelipallo poistettiin ja osa jaettiin natriumbikarbonaattiliuokseen, johon tiputettiin fenolftaleiinia. Natriumbikarbonaattiliuoksen väri poistettiin. Tämä osoittaa, että silikageeli adsorboi hiilidioksidia, ja veteen liukenemisen jälkeen hiilidioksidi desorboituu natriumbikarbonaattiliuokseen, jolloin natriumbikarbonaattiliuos haalistuu. Jäljelle jäävä osa silikonipallosta kuumennetaan kuivassa koeputkessa ja saatu kaasu johdetaan liuokseen, jossa on natriumbikarbonaattia, jossa tippuu fenoliftaleiinia. Pian natriumbikarbonaattiliuos muuttuu vaaleanpunaisesta värittömäksi. Tämä osoittaa myös, että silikageelillä on edelleen adsorptiokykyä CO2-kaasulle. Silikageelin adsorptiovoima CO2:lle on kuitenkin paljon pienempi kuin HCl:n, NH3:n ja SO2:n, ja hiilidioksidi voi adsorboitua vain osittain kuvion 5 kokeen aikana. Syy siihen, miksi silikageeli voi adsorboida hiilidioksidia osittain, on todennäköisesti että silikageeli ja CO2 muodostavat molekyylien välisiä vetysidoksia Si – OH… O =C. Koska CO2:n keskeinen hiiliatomi on sp-hybridi ja piiatomi silikageelissä on sp3-hybridi, lineaarinen CO2-molekyyli ei toimi hyvin yhdessä silikageelin pinnan kanssa, jolloin silikageelin adsorptiovoima hiilidioksidiin on suhteellisen suuri. pieni.
3. Neljän kaasun vesiliukoisuuden ja silikageelin pinnan adsorptiotilan vertailu Yllä olevista koetuloksista voidaan nähdä, että silikageelillä on vahva adsorptiokyky ammoniakin, kloorivedyn ja rikkidioksidin suhteen, mutta pieni adsorptiovoima hiilidioksidille (katso taulukko 1). Tämä on samanlainen kuin neljän kaasun liukoisuus veteen. Tämä voi johtua siitä, että vesimolekyylit sisältävät hydroksi-OH:ta ja silikageelin pinta on myös runsaasti hydroksyyliä, joten näiden neljän kaasun liukoisuus veteen on hyvin samanlainen kuin sen adsorptio silikageelin pinnalle. Ammoniakkikaasun, kloorivedyn ja rikkidioksidin, kolmesta kaasusta rikkidioksidilla on pienin vesiliukoisuus, mutta silikageelin adsorboitumisen jälkeen se on vaikein desorptio kolmesta kaasusta. Kun silikageeli on adsorboinut ammoniakkia ja kloorivetyä, se voidaan desorboida liuotinvedellä. Sen jälkeen kun rikkidioksidikaasu on adsorboitu silikageeliin, sen desorptio vedellä on vaikeaa, ja se on lämmitettävä desorptioon silikageelin pinnalta. Siksi neljän kaasun adsorptio silikageelin pinnalle on laskettava teoreettisesti.
4 Teoreettinen laskelma silikageelin ja neljän kaasun välisestä vuorovaikutuksesta on esitetty kvantisointi-ORCA-ohjelmistossa [4] tiheysfunktionaalisen teorian (DFT) puitteissa. DFT D/B3LYP/Def2 TZVP -menetelmää käytettiin eri kaasujen ja silikageelin välisten vuorovaikutusmuotojen ja -energioiden laskemiseen. Laskennan yksinkertaistamiseksi silikageelin kiinteät aineet esitetään tetrameerisillä ortospiihappomolekyyleillä. Laskentatulokset osoittavat, että H20, NH3 ja HCl voivat kaikki muodostaa vetysidoksia silikageelin pinnalla olevan hydroksyyliryhmän kanssa (katso kuva 6a ~ c). Niillä on suhteellisen voimakas sitoutumisenergia silikageelin pinnalla (katso taulukko 2) ja ne adsorboituvat helposti silikageelin pinnalle. Koska NH3:n ja HCl:n sitoutumisenergia on samanlainen kuin H20:n, vesipesu voi johtaa näiden kahden kaasumolekyylin desorptioon. SO2-molekyylin sitoutumisenergia on vain -17,47 kJ/mol, mikä on paljon pienempi kuin edellä mainitut kolme molekyyliä. Kokeilu kuitenkin vahvisti, että SO2-kaasu adsorboituu helposti silikageeliin, eikä edes pesu pysty desorboimaan sitä, ja vain kuumentamalla voidaan saada SO2 karkaamaan silikageelin pinnalta. Siksi arvelimme, että SO2 todennäköisesti yhdistyy H20:n kanssa silikageelin pinnalla muodostaen H2SO3-fraktioita. Kuvasta 6e näkyy, että H2SO3-molekyyli muodostaa kolme vetysidosta silikageelin pinnalla olevien hydroksyyli- ja happiatomien kanssa samanaikaisesti, ja sitoutumisenergia on jopa -76,63 kJ/mol, mikä selittää, miksi SO2 adsorboitui silikageeliä on vaikea eluoida vedellä. Ei-polaarisella CO2:lla on heikoin sitoutumiskyky silikageelillä, ja silikageeli voi adsorboida sen vain osittain. Vaikka myös H2CO3:n ja silikageelin sitoutumisenergia saavutti -65,65 kJ/mol, CO2:n muuntumisnopeus H2CO3:ksi ei ollut korkea, joten myös CO2:n adsorptionopeus pieneni. Yllä olevasta tiedosta voidaan nähdä, että kaasumolekyylin polariteetti ei ole ainoa kriteeri sen arvioimiseksi, voidaanko se adsorboida silikageelillä, vaan silikageelin pinnan kanssa muodostunut vetysidos on pääasiallinen syy sen stabiiliin adsorptioon.
Silikageelin koostumus on SiO2 · nH2 O, silikageelin valtava pinta-ala ja pinnan rikas hydroksyyliryhmä tekevät silikageelistä erinomaisen suorituskyvyn myrkyttömänä kuivaimena, ja sitä käytetään laajasti tuotannossa ja elämässä. . Tässä artikkelissa vahvistetaan kahdesta kokeen ja teoreettisen laskelman näkökulmasta, että silikageeli voi adsorboida NH3:a, HCl:a, SO2:ta, CO2:ta ja muita kaasuja molekyylien välisten vetysidosten kautta, joten silikageeliä ei voida käyttää näiden kaasujen kuivaamiseen. Silikageelin koostumus on SiO2 · nH2 O, silikageelin valtava pinta-ala ja pinnan rikas hydroksyyliryhmä tekevät silikageelistä erinomaisen suorituskyvyn myrkyttömänä kuivaimena, ja sitä käytetään laajasti tuotannossa ja elämässä. . Tässä artikkelissa vahvistetaan kahdesta kokeen ja teoreettisen laskelman näkökulmasta, että silikageeli voi adsorboida NH3:a, HCl:a, SO2:ta, CO2:ta ja muita kaasuja molekyylien välisten vetysidosten kautta, joten silikageeliä ei voida käyttää näiden kaasujen kuivaamiseen.
３
KUVA. 6 Vuorovaikutustilat eri molekyylien ja silikageelipinnan välillä DFT-menetelmällä laskettuna
Postitusaika: 14.11.2023
