Dalam pengeluaran dan kehidupan, gel silika boleh digunakan untuk mengeringkan N2, udara, hidrogen, gas asli [1] dan sebagainya. Menurut asid dan alkali, bahan pengering boleh dibahagikan kepada: bahan pengering asid, bahan pengering beralkali dan bahan pengering neutral [2]. Gel silika nampaknya merupakan pengering neutral yang kelihatan mengeringkan NH3, HCl, SO2, dll. Walau bagaimanapun, dari sudut pandangan prinsip, gel silika terdiri daripada dehidrasi intermolekul tiga dimensi molekul asid ortosilisik, badan utama ialah SiO2, dan permukaannya kaya dengan kumpulan hidroksil (lihat Rajah 1). Sebab mengapa gel silika boleh menyerap air ialah kumpulan hidroksil silikon pada permukaan gel silika boleh membentuk ikatan hidrogen antara molekul dengan molekul air, jadi ia boleh menyerap air dan dengan itu memainkan peranan pengeringan. Gel silika yang berubah warna mengandungi ion kobalt, dan selepas air penjerapan mencapai tepu, ion kobalt dalam gel silika yang berubah warna menjadi ion kobalt terhidrat, supaya gel silika biru menjadi merah jambu. Selepas memanaskan gel silika merah jambu pada 200 ℃ untuk satu tempoh masa, ikatan hidrogen antara gel silika dan molekul air pecah, dan gel silika yang berubah warna akan bertukar menjadi biru semula, supaya gambar rajah struktur asid silicic dan gel silika boleh digunakan semula seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 1. Jadi, oleh kerana permukaan gel silika kaya dengan kumpulan hidroksil, permukaan gel silika juga boleh membentuk ikatan hidrogen antara molekul dengan NH3 dan HCl, dsb., dan mungkin tiada cara untuk bertindak sebagai bahan pengering NH3 dan HCl, dan tiada laporan yang relevan dalam kesusasteraan sedia ada. Jadi apakah keputusannya? Subjek ini telah melakukan kajian eksperimen berikut.
Gbr. 1 Gambar rajah struktur asid orto-silisik dan gel silika
2 Bahagian Eksperimen
2.1 Penerokaan skop penggunaan bahan pengering gel silika — Ammonia Pertama, gel silika yang berubah warna itu masing-masing diletakkan di dalam air suling dan air ammonia pekat. Gel silika yang berubah warna menjadi merah jambu dalam air suling; Dalam ammonia pekat, silikon yang berubah warna mula-mula menjadi merah dan perlahan-lahan bertukar menjadi biru muda. Ini menunjukkan bahawa gel silika boleh menyerap NH3 atau NH3 ·H2 O dalam ammonia. Seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 2, pepejal kalsium hidroksida dan ammonium klorida dicampur sama rata dan dipanaskan dalam tabung uji. Gas yang terhasil dikeluarkan oleh kapur alkali dan kemudian oleh gel silika. Warna gel silika berhampiran arah pintu masuk menjadi lebih cerah (warna skop penggunaan bahan pengering gel silika dalam Rajah 2 diterokai — ammonia 73, fasa ke-8 2023 pada dasarnya adalah sama dengan warna gel silika yang direndam dalam air ammonia pekat), dan kertas ujian pH tidak mempunyai perubahan yang jelas. Ini menunjukkan bahawa NH3 yang dihasilkan belum mencapai kertas ujian pH, dan ia telah terserap sepenuhnya. Selepas satu tempoh masa, hentikan pemanasan, keluarkan sebahagian kecil bola silika gel, masukkan ke dalam air suling, tambah fenolftalein ke dalam air, larutan menjadi merah, menunjukkan bahawa gel silika mempunyai kesan penjerapan yang kuat pada NH3, selepas air suling ditanggalkan, NH3 memasuki air suling, larutannya bersifat alkali. Oleh itu, kerana gel silika mempunyai penjerapan yang kuat untuk NH3, agen pengeringan silikon tidak boleh mengeringkan NH3.
Gbr. 2 Penerokaan skop penggunaan bahan pengering gel silika — ammonia
2.2 Penerokaan skop penggunaan bahan pengering gel silika — hidrogen klorida terlebih dahulu membakar pepejal NaCl dengan nyalaan lampu alkohol untuk mengeluarkan air basah dalam komponen pepejal. Selepas sampel disejukkan, asid sulfurik pekat ditambah kepada pepejal NaCl untuk segera menghasilkan sejumlah besar buih. Gas yang dihasilkan disalurkan ke dalam tiub pengeringan sfera yang mengandungi gel silika, dan kertas ujian pH basah diletakkan di hujung tiub pengeringan. Gel silika di hujung hadapan bertukar hijau muda, dan kertas ujian pH basah tidak mempunyai perubahan yang jelas (lihat Rajah 3). Ini menunjukkan bahawa gas HCl yang dihasilkan diserap sepenuhnya oleh gel silika dan tidak terlepas ke udara.
Rajah 3 Penyelidikan tentang skop penggunaan bahan pengering gel silika — hidrogen klorida
Gel silika yang menjerap HCl dan bertukar menjadi hijau muda dimasukkan ke dalam tabung uji. Letakkan gel silika biru baru di dalam tabung uji, tambah asid hidroklorik pekat, gel silika juga menjadi warna hijau muda, kedua-dua warna pada dasarnya adalah sama. Ini menunjukkan gas gel silika dalam tiub pengeringan sfera.
2.3 Penerokaan skop penggunaan bahan pengering gel silika — sulfur dioksida Campuran asid sulfurik pekat dengan pepejal natrium tiosulfat (lihat Rajah 4), NA2s2 O3 +H2 SO4 ==Na2 SO4 +SO2 ↑+S↓+H2 O; Gas terjana disalurkan melalui tiub pengeringan yang mengandungi gel silika yang berubah warna, gel silika yang berubah warna menjadi biru-hijau muda, dan kertas litmus biru di hujung kertas ujian basah tidak berubah dengan ketara, menunjukkan bahawa gas SO2 yang dihasilkan mempunyai telah diserap sepenuhnya oleh bola gel silika dan tidak dapat melarikan diri.
Gbr. 4 Penerokaan skop penggunaan bahan pengering gel silika — sulfur dioksida
Tanggalkan sebahagian daripada bebola gel silika dan masukkan ke dalam air suling. Selepas baki penuh, ambil sedikit titisan air pada kertas litmus biru. Kertas ujian tidak berubah dengan ketara, menunjukkan bahawa air suling tidak mencukupi untuk menyahserap SO2 daripada gel silika. Ambil sebahagian kecil bebola gel silika dan panaskan dalam tabung uji. Letakkan kertas litmus biru basah di mulut tabung uji. Kertas litmus biru bertukar menjadi merah, menunjukkan bahawa pemanasan menjadikan gas SO2 dinyahserap daripada bebola gel silika, dengan itu menjadikan kertas litmus menjadi merah. Eksperimen di atas menunjukkan bahawa gel silika juga mempunyai kesan penjerapan yang kuat pada SO2 atau H2 SO3, dan tidak boleh digunakan untuk mengeringkan gas SO2.
2.4 Penerokaan skop penggunaan bahan pengering gel silika — Karbon dioksida
Seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 5, larutan natrium bikarbonat yang menitis fenolftalein kelihatan merah muda. Pepejal natrium bikarbonat dipanaskan dan campuran gas yang terhasil disalurkan melalui tiub pengering yang mengandungi sfera gel silika kering. Gel silika tidak berubah dengan ketara dan natrium bikarbonat yang menitis dengan fenolftalein menyerap HCl. Ion kobalt dalam gel silika yang berubah warna membentuk larutan hijau dengan Cl- dan beransur-ansur menjadi tidak berwarna, menunjukkan bahawa terdapat kompleks gas CO2 di hujung tiub pengeringan sfera. Gel silika hijau muda diletakkan di dalam air suling, dan gel silika yang berubah warna secara beransur-ansur berubah kepada kuning, menunjukkan bahawa HCl yang diserap oleh gel silika telah dinyahserap ke dalam air. Sebilangan kecil larutan akueus atas telah ditambah kepada larutan perak nitrat yang diasidkan oleh asid nitrik untuk membentuk mendakan putih. Sebilangan kecil larutan akueus dititiskan pada pelbagai jenis kertas ujian pH, dan kertas ujian menjadi merah, menunjukkan bahawa larutan itu berasid. Eksperimen di atas menunjukkan bahawa gel silika mempunyai penjerapan yang kuat kepada gas HCl. HCl ialah molekul yang sangat polar, dan kumpulan hidroksil pada permukaan gel silika juga mempunyai kekutuban yang kuat, dan kedua-duanya boleh membentuk ikatan hidrogen antara molekul atau mempunyai interaksi dipol dipol yang agak kuat, menghasilkan daya antara molekul yang agak kuat antara permukaan silika. gel dan molekul HCl, jadi gel silika mempunyai penjerapan HCl yang kuat. Oleh itu, ejen pengeringan silikon tidak boleh digunakan untuk mengeringkan pelepasan HCl, iaitu gel silika tidak menyerap CO2 atau hanya menyerap CO2 sebahagiannya.
Gbr. 5 Penerokaan skop penggunaan bahan pengering gel silika — karbon dioksida
Untuk membuktikan penjerapan gel silika kepada gas karbon dioksida, eksperimen berikut diteruskan. Bola gel silika dalam tiub pengeringan sfera dikeluarkan, dan bahagian itu dibahagikan kepada larutan natrium bikarbonat yang menitis fenolftalein. Larutan natrium bikarbonat telah dinyahwarna. Ini menunjukkan bahawa gel silika menyerap karbon dioksida, dan selepas larut dalam air, karbon dioksida menyahserap ke dalam larutan natrium bikarbonat, menjadikan larutan natrium bikarbonat pudar. Baki bahagian bola silikon dipanaskan dalam tabung uji kering, dan gas yang terhasil disalurkan ke dalam larutan natrium bikarbonat yang menitis dengan fenolftalein. Tidak lama kemudian, larutan natrium bikarbonat berubah daripada merah muda kepada tidak berwarna. Ini juga menunjukkan bahawa gel silika masih mempunyai kapasiti penjerapan untuk gas CO2. Walau bagaimanapun, daya penjerapan gel silika pada CO2 adalah jauh lebih kecil daripada HCl, NH3 dan SO2, dan karbon dioksida hanya boleh diserap sebahagiannya semasa eksperimen dalam Rajah 5. Sebab mengapa gel silika boleh menyerap sebahagian CO2 berkemungkinan besar bahawa gel silika dan CO2 membentuk ikatan hidrogen antara molekul Si — OH… O =C. Oleh kerana atom karbon pusat CO2 adalah hibrid sp, dan atom silikon dalam gel silika adalah hibrid sp3, molekul CO2 linear tidak bekerjasama dengan baik dengan permukaan gel silika, mengakibatkan daya penjerapan gel silika pada karbon dioksida adalah relatif. kecil.
3. Perbandingan antara keterlarutan empat gas dalam air dan status penjerapan pada permukaan gel silika Daripada keputusan eksperimen di atas, dapat dilihat bahawa gel silika mempunyai kapasiti penjerapan yang kuat untuk ammonia, hidrogen klorida dan sulfur dioksida, tetapi daya penjerapan yang kecil untuk karbon dioksida (lihat Jadual 1). Ini serupa dengan keterlarutan empat gas dalam air. Ini mungkin kerana molekul air mengandungi hidroksi-OH, dan permukaan gel silika juga kaya dengan hidroksil, jadi keterlarutan keempat-empat gas ini dalam air sangat serupa dengan penjerapannya pada permukaan gel silika. Antara tiga gas gas ammonia, hidrogen klorida dan sulfur dioksida, sulfur dioksida mempunyai keterlarutan terkecil dalam air, tetapi selepas diserap oleh gel silika, ia adalah yang paling sukar untuk nyahjerap antara ketiga-tiga gas. Selepas gel silika menyerap ammonia dan hidrogen klorida, ia boleh diserap dengan air pelarut. Selepas gas sulfur dioksida diserap oleh gel silika, ia adalah sukar untuk nyahsorpsi dengan air, dan mesti dipanaskan hingga desorpsi dari permukaan gel silika. Oleh itu, penjerapan empat gas pada permukaan gel silika mesti dikira secara teori.
4 Pengiraan teori interaksi antara gel silika dan empat gas dibentangkan dalam perisian ORCA kuantumisasi [4] di bawah kerangka teori fungsi ketumpatan (DFT). Kaedah DFT D/B3LYP/Def2 TZVP digunakan untuk mengira mod interaksi dan tenaga antara gas dan gel silika yang berbeza. Untuk memudahkan pengiraan, pepejal gel silika diwakili oleh molekul asid ortosilisik tetramerik. Keputusan pengiraan menunjukkan bahawa H2 O, NH3 dan HCl semuanya boleh membentuk ikatan hidrogen dengan kumpulan hidroksil pada permukaan gel silika (lihat Rajah 6a ~ c). Mereka mempunyai tenaga pengikat yang agak kuat pada permukaan gel silika (lihat Jadual 2) dan mudah diserap pada permukaan gel silika. Memandangkan tenaga pengikatan NH3 dan HCl adalah serupa dengan H2 O, pencucian air boleh menyebabkan penyahsorpsian kedua-dua molekul gas ini. Bagi molekul SO2, tenaga pengikatnya hanya -17.47 kJ/mol, yang jauh lebih kecil daripada tiga molekul di atas. Walau bagaimanapun, eksperimen mengesahkan bahawa gas SO2 mudah terserap pada gel silika, malah mencuci tidak boleh menyahserapnya, dan hanya pemanasan boleh membuat SO2 melarikan diri dari permukaan gel silika. Oleh itu, kami meneka bahawa SO2 berkemungkinan bergabung dengan H2 O pada permukaan gel silika untuk membentuk pecahan H2 SO3. Rajah 6e menunjukkan bahawa molekul H2 SO3 membentuk tiga ikatan hidrogen dengan atom hidroksil dan oksigen pada permukaan gel silika pada masa yang sama, dan tenaga pengikat adalah setinggi -76.63 kJ/mol, yang menjelaskan mengapa SO2 terjerap pada gel silika sukar dielakkan dengan air. CO2 bukan kutub mempunyai keupayaan mengikat paling lemah dengan gel silika, dan hanya boleh diserap sebahagiannya oleh gel silika. Walaupun tenaga pengikat H2 CO3 dan gel silika juga mencapai -65.65 kJ/mol, kadar penukaran CO2 kepada H2 CO3 tidaklah tinggi, maka kadar penjerapan CO2 juga dikurangkan. Dari data di atas dapat dilihat bahawa kekutuban molekul gas bukanlah satu-satunya kriteria untuk menilai sama ada ia boleh diserap oleh gel silika, dan ikatan hidrogen yang terbentuk dengan permukaan gel silika adalah sebab utama penjerapannya yang stabil.
Komposisi gel silika ialah SiO2 ·nH2 O, luas permukaan gel silika yang besar dan kumpulan hidroksil yang kaya pada permukaan menjadikan gel silika boleh digunakan sebagai pengering bukan toksik dengan prestasi cemerlang, dan digunakan secara meluas dalam pengeluaran dan kehidupan. . Dalam kertas kerja ini, disahkan daripada dua aspek eksperimen dan pengiraan teori bahawa gel silika boleh menyerap NH3, HCl, SO2, CO2 dan gas-gas lain melalui ikatan hidrogen antara molekul, jadi gel silika tidak boleh digunakan untuk mengeringkan gas-gas ini. Komposisi gel silika ialah SiO2 ·nH2 O, luas permukaan gel silika yang besar dan kumpulan hidroksil yang kaya pada permukaan menjadikan gel silika boleh digunakan sebagai pengering bukan toksik dengan prestasi cemerlang, dan digunakan secara meluas dalam pengeluaran dan kehidupan. . Dalam kertas kerja ini, disahkan daripada dua aspek eksperimen dan pengiraan teori bahawa gel silika boleh menyerap NH3, HCl, SO2, CO2 dan gas-gas lain melalui ikatan hidrogen antara molekul, jadi gel silika tidak boleh digunakan untuk mengeringkan gas-gas ini.
3
Gbr. 6 Mod interaksi antara molekul berbeza dan permukaan gel silika dikira dengan kaedah DFT
Masa siaran: Nov-14-2023
