I produksjon og levetid kan silikagel brukes til å tørke N2, luft, hydrogen, naturgass [1] og så videre. I henhold til syre og alkali kan tørkemiddel deles inn i: surt tørkemiddel, alkalisk tørkemiddel og nøytralt tørkemiddel [2]. Silikagel ser ut til å være en nøytral tørketrommel som ser ut til å tørke NH3, HCl, SO2 osv. Men fra et prinsipielt synspunkt er silikagel sammensatt av tredimensjonal intermolekylær dehydrering av ortokiselsyremolekyler, hoveddelen er SiO2, og overflaten er rik på hydroksylgrupper (se figur 1). Grunnen til at silikagel kan absorbere vann er at silisiumhydroksylgruppen på overflaten av silikagel kan danne intermolekylære hydrogenbindinger med vannmolekyler, slik at den kan adsorbere vann og dermed spille en tørkerolle. Den fargeendrende silikagelen inneholder koboltioner, og etter at adsorpsjonsvannet når metning, blir koboltionene i den fargeendrende silikagelen hydratiserte koboltioner, slik at den blå silikagelen blir rosa. Etter oppvarming av den rosa silikagelen ved 200 ℃ i en periode, brytes hydrogenbindingen mellom silikagelen og vannmolekylene, og den misfargede silikagelen blir blå igjen, slik at strukturdiagrammet for silisiumsyren og silikagelen kan gjenbrukes som vist i figur 1. Så siden overflaten av silikagel er rik på hydroksylgrupper, kan overflaten av silikagel også danne intermolekylære hydrogenbindinger med NH3 og HCl, etc., og det er kanskje ingen måte å fungere som et tørkemiddel av NH3 og HCl, og det er ingen relevant rapport i den eksisterende litteraturen. Så hva ble resultatene? Dette emnet har gjort følgende eksperimentelle undersøkelser.
FIG. 1 Strukturdiagram av orto-kiselsyre og silikagel
2 Eksperimentdel
2.1 Utforskning av bruksomfanget for silikagel-tørkemiddel — Ammoniakk Først ble den misfargede silikagelen plassert i henholdsvis destillert vann og konsentrert ammoniakkvann. Misfarget silikagel blir rosa i destillert vann; I konsentrert ammoniakk blir den fargeskiftende silikonen først rød og sakte lyseblå. Dette viser at silikagel kan absorbere NH3 eller NH3 ·H2 O i ammoniakk. Som vist i figur 2 blandes fast kalsiumhydroksid og ammoniumklorid jevnt og varmes opp i et reagensrør. Den resulterende gassen fjernes med alkalikalk og deretter med silikagel. Fargen på silikagelen nær inngangsretningen blir lysere (fargen på bruksomfanget til silikagel-tørkemidlet i figur 2 er utforsket - ammoniakk 73, 8. fase av 2023 er i hovedsak den samme som fargen på silikagelen som er bløtlagt i konsentrert ammoniakkvann), og pH-testpapiret har ingen åpenbar endring. Dette indikerer at det produserte NH3 ikke har nådd pH-testpapiret, og det er fullstendig adsorbert. Etter en tid, stopp oppvarmingen, ta ut en liten del av silikagelkulen, legg den i det destillerte vannet, tilsett fenolftalein til vannet, løsningen blir rød, noe som indikerer at silikagelen har en sterk adsorpsjonseffekt på NH3, etter at det destillerte vannet er løsnet, kommer NH3 inn i det destillerte vannet, løsningen er alkalisk. Derfor, fordi silikagelen har en sterk adsorpsjon for NH3, kan ikke silikontørkemidlet tørke NH3.
FIG. 2 Utforskning av anvendelsesområdet for silikagel-tørkemiddel — ammoniakk
2.2 Utforskning av bruksomfanget for silikagel-tørkemiddel — hydrogenklorid brenner først NaCl-faststoffer med alkohollampeflamme for å fjerne det våte vannet i de faste komponentene. Etter at prøven er avkjølt, tilsettes konsentrert svovelsyre til faststoffet NaCl for umiddelbart å produsere et stort antall bobler. Den genererte gassen føres inn i et sfærisk tørkerør som inneholder silikagel, og et vått pH-testpapir plasseres på enden av tørkerøret. Silikagelen i frontenden blir lysegrønn, og det våte pH-testpapiret har ingen åpenbar endring (se figur 3). Dette viser at den genererte HCl-gassen er fullstendig adsorbert av silikagel og ikke slipper ut i luften.
Figur 3 Forskning på anvendelsesomfanget av silikagel-tørkemiddel — hydrogenklorid
Silikagelen adsorberte HCl og ble lysegrønn ble plassert i et reagensrør. Legg den nye blå silikagelen i reagensrøret, tilsett konsentrert saltsyre, silikagel blir også lysegrønn farge, de to fargene er i utgangspunktet like. Dette viser silikagelgassen i det sfæriske tørkerøret.
2.3 Utforskning av anvendelsesomfanget for silikagel-tørkemiddel — svoveldioksid Blandet konsentrert svovelsyre med natriumtiosulfat fast (se figur 4), NA2s2 O3 +H2 SO4 ==Na2 SO4 +SO2 ↑+S↓+H2 O; Den genererte gassen føres gjennom tørkerøret som inneholder den misfargede silikagelen, den misfargede silikagelen blir lyseblågrønn, og det blå lakmuspapiret på slutten av det våte testpapiret endres ikke vesentlig, noe som indikerer at den genererte SO2-gassen har blitt fullstendig adsorbert av silikagelkulen og kan ikke unnslippe.
FIG. 4 Utforskning av anvendelsesområdet for silikagel-tørkemiddel — svoveldioksid
Ta av en del av silikagelkulen og legg den i destillert vann. Etter full balanse, ta en liten mengde vanndråpe på det blå lakmuspapiret. Testpapiret endres ikke vesentlig, noe som indikerer at destillert vann ikke er nok til å desorbere SO2 fra silikagelen. Ta en liten del av silikagelkulen og varm den i reagensglasset. Legg vått blått lakmuspapir ved munningen av reagensrøret. Det blå lakmuspapiret blir rødt, noe som indikerer at oppvarming gjør at SO2-gass desorberes fra silikagelkulen, og dermed blir lakmuspapiret rødt. Forsøkene ovenfor viser at silikagel også har en sterk adsorpsjonseffekt på SO2 eller H2SO3, og kan ikke brukes til tørking av SO2-gass.
2.4 Utforskning av anvendelsesområdet for silikagel-tørkemiddel – karbondioksid
Som vist i figur 5, ser natriumbikarbonatløsning som drypper fenolftalein ut til å være lys rød. Det faste natriumbikarbonat oppvarmes og den resulterende gassblandingen føres gjennom et tørkerør som inneholder tørkede silikagelkuler. Silikagelen endres ikke nevneverdig, og natriumbikarbonatet som drypper med fenolftalein adsorberer HCl. Koboltionet i den misfargede silikagelen danner en grønn løsning med Cl- og blir gradvis fargeløs, noe som indikerer at det er et CO2-gasskompleks i enden av det sfæriske tørkerøret. Den lysegrønne silikagelen legges i destillert vann, og den misfargede silikagelen endres gradvis til gul, noe som indikerer at HCl adsorbert av silikagel har blitt desorbert i vannet. En liten mengde av den øvre vandige løsningen ble tilsatt til sølvnitratløsningen surgjort med salpetersyre for å danne et hvitt bunnfall. En liten mengde vandig løsning slippes på et bredt spekter av pH-testpapir, og testpapiret blir rødt, noe som indikerer at løsningen er sur. Forsøkene ovenfor viser at silikagel har en sterk adsorpsjon til HCl-gass. HCl er et sterkt polart molekyl, og hydroksylgruppen på overflaten av silikagel har også sterk polaritet, og de to kan danne intermolekylære hydrogenbindinger eller ha relativt sterk dipol-dipolinteraksjon, noe som resulterer i en relativt sterk intermolekylær kraft mellom overflaten av silika gel- og HCl-molekyler, så silikagel har en sterk adsorpsjon av HCl. Derfor kan silikontørkemiddel ikke brukes til å tørke ut HCl, det vil si at silikagelen ikke adsorberer CO2 eller bare delvis adsorberer CO2.
FIG. 5 Utforskning av anvendelsesområdet for silikagel-tørkemiddel - karbondioksid
For å bevise adsorpsjonen av silikagel til karbondioksidgass, fortsettes følgende eksperimenter. Silikagelkulen i det sfæriske tørkerøret ble fjernet, og delen ble delt inn i natriumbikarbonatløsning med dryppende fenolftalein. Natriumbikarbonatløsningen ble avfarget. Dette viser at silikagel adsorberer karbondioksid, og etter oppløselig i vann desorberer karbondioksid til natriumbikarbonatløsning, noe som får natriumbikarbonatløsning til å falme. Den gjenværende delen av silikonkulen varmes opp i et tørt reagensrør, og den resulterende gassen føres inn i en løsning av natriumbikarbonat som drypper med fenolftalein. Snart endres natriumbikarbonatløsningen fra lys rød til fargeløs. Dette viser også at silikagel fortsatt har adsorpsjonskapasitet for CO2-gass. Imidlertid er adsorpsjonskraften til silikagel på CO2 mye mindre enn for HCl, NH3 og SO2, og karbondioksid kan bare delvis adsorberes under forsøket i figur 5. Grunnen til at silikagel delvis kan adsorbere CO2 er sannsynligvis at silikagel og CO2 danner intermolekylære hydrogenbindinger Si — OH... O =C. Fordi det sentrale karbonatomet til CO2 er sp-hybrid, og silisiumatomet i silikagel er sp3-hybrid, samarbeider ikke det lineære CO2-molekylet godt med overflaten av silikagel, noe som resulterer i at adsorpsjonskraften til silikagel på karbondioksid er relativt sett. liten.
3.Sammenligning mellom løseligheten til de fire gassene i vann og adsorpsjonsstatus på overflaten av silikagel Fra de ovennevnte eksperimentelle resultatene kan man se at silikagel har en sterk adsorpsjonskapasitet for ammoniakk, hydrogenklorid og svoveldioksid, men en liten adsorpsjonskraft for karbondioksid (se tabell 1). Dette ligner på løseligheten til de fire gassene i vann. Dette kan skyldes at vannmolekyler inneholder hydroksy-OH, og overflaten av silikagel er også rik på hydroksyl, så løseligheten til disse fire gassene i vann er veldig lik dens adsorpsjon på overflaten av silikagel. Blant de tre gassene av ammoniakkgass, hydrogenklorid og svoveldioksid har svoveldioksid den minste løseligheten i vann, men etter å ha blitt adsorbert av silikagel er det den vanskeligste desorpsjonen blant de tre gassene. Etter at silikagelen adsorberer ammoniakk og hydrogenklorid, kan den desorberes med løsemiddelvann. Etter at svoveldioksidgassen er adsorbert av silikagel, er den vanskelig å desorpsjon med vann, og må varmes opp til desorpsjon fra overflaten av silikagel. Derfor må adsorpsjonen av fire gasser på overflaten av silikagel beregnes teoretisk.
4 Teoretisk beregning av interaksjonen mellom silikagel og fire gasser er presentert i kvantumiseringsprogramvaren ORCA [4] under rammen av tetthetsfunksjonsteori (DFT). DFT D/B3LYP/Def2 TZVP-metoden ble brukt til å beregne interaksjonsmodusene og energiene mellom forskjellige gasser og silikagel. For å forenkle beregningen er silikagelfaststoffer representert av tetramere ortokiselsyremolekyler. Beregningsresultatene viser at H2 O, NH3 og HCl alle kan danne hydrogenbindinger med hydroksylgruppen på overflaten av silikagel (se figur 6a ~ c). De har relativt sterk bindingsenergi på silikageloverflaten (se tabell 2) og adsorberes lett på silikageloverflaten. Siden bindingsenergien til NH3 og HCl er lik den til H2O, kan vannvask føre til desorpsjon av disse to gassmolekylene. For SO2-molekylet er bindingsenergien bare -17,47 kJ/mol, som er mye mindre enn de tre ovennevnte molekylene. Eksperimentet bekreftet imidlertid at SO2-gass lett adsorberes på silikagelen, og selv vasking kan ikke desorbere den, og bare oppvarming kan få SO2 til å unnslippe fra overflaten av silikagelen. Derfor gjettet vi at SO2 sannsynligvis vil kombineres med H2O på overflaten av silikagel for å danne H2SO3-fraksjoner. Figur 6e viser at H2SO3-molekylet danner tre hydrogenbindinger med hydroksyl- og oksygenatomene på overflaten av silikagelen samtidig, og bindingsenergien er så høy som -76,63 kJ/mol, noe som forklarer hvorfor SO2 adsorberes på silikagelen er vanskelig å unngå med vann. Ikke-polar CO2 har den svakeste bindingsevnen med silikagel, og kan kun delvis adsorberes av silikagel. Selv om bindingsenergien til H2CO3 og silikagel også nådde -65,65 kJ/mol, var omdannelseshastigheten av CO2 til H2CO3 ikke høy, så adsorpsjonshastigheten av CO2 ble også redusert. Det kan sees fra dataene ovenfor at polariteten til gassmolekylet ikke er det eneste kriteriet for å bedømme om det kan adsorberes av silikagel, og hydrogenbindingen dannet med silikageloverflaten er hovedårsaken til dens stabile adsorpsjon.
Sammensetningen av silikagel er SiO2 ·nH2 O, det enorme overflatearealet til silikagel og den rike hydroksylgruppen på overflaten gjør at silikagel kan brukes som en giftfri tørketrommel med utmerket ytelse, og er mye brukt i produksjon og liv . I denne artikkelen er det bekreftet fra to aspekter av eksperimentet og teoretisk beregning at silikagel kan adsorbere NH3, HCl, SO2, CO2 og andre gasser gjennom intermolekylære hydrogenbindinger, så silikagel kan ikke brukes til å tørke disse gassene. Sammensetningen av silikagel er SiO2 ·nH2 O, det enorme overflatearealet til silikagel og den rike hydroksylgruppen på overflaten gjør at silikagel kan brukes som en giftfri tørketrommel med utmerket ytelse, og er mye brukt i produksjon og liv . I denne artikkelen er det bekreftet fra to aspekter av eksperimentet og teoretisk beregning at silikagel kan adsorbere NH3, HCl, SO2, CO2 og andre gasser gjennom intermolekylære hydrogenbindinger, så silikagel kan ikke brukes til å tørke disse gassene.
３
FIG. 6 Interaksjonsmodi mellom forskjellige molekyler og silikageloverflate beregnet ved DFT-metoden
Innleggstid: 14. november 2023
