Στην παραγωγή και τη ζωή, το silica gel μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την ξήρανση N2, αέρα, υδρογόνου, φυσικού αερίου [1] και ούτω καθεξής. Ανάλογα με το οξύ και το αλκάλιο, το ξηραντικό μπορεί να χωριστεί σε: όξινο αποξηραντικό, αλκαλικό ξηραντικό και ουδέτερο ξηραντικό [2]. Το silica gel φαίνεται να είναι ένας ουδέτερος ξηραντήρας που φαίνεται να ξηραίνει NH3, HCl, SO2, κ.λπ. Ωστόσο, από την κύρια άποψη, το silica gel αποτελείται από τρισδιάστατη διαμοριακή αφυδάτωση μορίων ορθοπυριτικού οξέος, το κύριο σώμα είναι SiO2, και η επιφάνεια είναι πλούσια σε ομάδες υδροξυλίου (βλ. Εικόνα 1). Ο λόγος για τον οποίο η γέλη πυριτίου μπορεί να απορροφήσει νερό είναι ότι η ομάδα υδροξυλίου πυριτίου στην επιφάνεια της γέλης πυριτίου μπορεί να σχηματίσει διαμοριακούς δεσμούς υδρογόνου με μόρια νερού, έτσι μπορεί να προσροφήσει νερό και έτσι να παίξει έναν ξηραντικό ρόλο. Το γέλη πυριτίου που αλλάζει χρώμα περιέχει ιόντα κοβαλτίου και αφού το νερό προσρόφησης φτάσει σε κορεσμό, τα ιόντα κοβαλτίου στο σιλικαζέλ που αλλάζουν χρώμα γίνονται ενυδατωμένα ιόντα κοβαλτίου, έτσι ώστε το μπλε πυριτικό πήγμα να γίνει ροζ. Μετά τη θέρμανση του ροζ silica gel στους 200℃ για μια χρονική περίοδο, ο δεσμός υδρογόνου μεταξύ του σιλικαζέλ και των μορίων του νερού σπάει και το αποχρωματισμένο silica gel θα γίνει ξανά μπλε, έτσι ώστε το διάγραμμα δομής του πυριτικού οξέος και του σιλικαζέλ μπορεί να να επαναχρησιμοποιηθεί όπως φαίνεται στο Σχήμα 1. Έτσι, δεδομένου ότι η επιφάνεια της γέλης πυριτίου είναι πλούσια σε ομάδες υδροξυλίου, η επιφάνεια της γέλης πυριτίου μπορεί επίσης να σχηματίσει διαμοριακούς δεσμούς υδρογόνου με NH3 και HCl, κ.λπ., και μπορεί να μην υπάρχει τρόπος να ενεργήσει ως ένα αποξηραντικό NH3 και HCl, και δεν υπάρχει σχετική αναφορά στην υπάρχουσα βιβλιογραφία. Ποια ήταν λοιπόν τα αποτελέσματα; Αυτό το υποκείμενο έχει κάνει την παρακάτω πειραματική έρευνα.
ΣΥΚΟ. 1 Διάγραμμα δομής ορθοπυριτικού οξέος και σιλικαζέλ
2 Πειραματικό Μέρος
2.1 Διερεύνηση του πεδίου εφαρμογής του αποξηραντικού γέλης πυριτίου — Αμμωνία Αρχικά, το αποχρωματισμένο silica gel τοποθετήθηκε σε απεσταγμένο νερό και συμπυκνωμένο νερό αμμωνίας αντίστοιχα. Το αποχρωματισμένο silica gel γίνεται ροζ σε απεσταγμένο νερό. Σε συμπυκνωμένη αμμωνία, η σιλικόνη που αλλάζει χρώμα πρώτα γίνεται κόκκινη και αργά γίνεται ανοιχτό μπλε. Αυτό δείχνει ότι το silica gel μπορεί να απορροφήσει NH3 ή NH3 ·H2 O σε αμμωνία. Όπως φαίνεται στο Σχήμα 2, το στερεό υδροξείδιο του ασβεστίου και το χλωριούχο αμμώνιο αναμειγνύονται ομοιόμορφα και θερμαίνονται σε δοκιμαστικό σωλήνα. Το αέριο που προκύπτει αφαιρείται με αλκαλικό ασβέστη και στη συνέχεια με πυριτική πηκτή. Το χρώμα της γέλης πυριτίου κοντά στην κατεύθυνση εισόδου γίνεται πιο ανοιχτό (διερευνάται το χρώμα του πεδίου εφαρμογής του αποξηραντικού γέλης πυριτίου στο σχήμα 2 — αμμωνία 73, η 8η φάση του 2023 είναι βασικά το ίδιο με το χρώμα του εμποτισμένου πήγματος πυριτίας σε συμπυκνωμένο νερό αμμωνίας), και το χαρτί δοκιμής pH δεν έχει εμφανή αλλαγή. Αυτό υποδηλώνει ότι η παραγόμενη NH3 δεν έχει φτάσει στο χαρτί δοκιμής pH και έχει προσροφηθεί πλήρως. Μετά από κάποιο χρονικό διάστημα, σταματήστε τη θέρμανση, αφαιρέστε ένα μικρό μέρος της μπάλας γέλης πυριτίου, βάλτε το στο απεσταγμένο νερό, προσθέστε φαινολοφθαλεΐνη στο νερό, το διάλυμα γίνεται κόκκινο, υποδεικνύοντας ότι το silica gel έχει ισχυρή επίδραση προσρόφησης NH3, αφού αποκολληθεί το απεσταγμένο νερό, το NH3 εισέρχεται στο απεσταγμένο νερό, το διάλυμα είναι αλκαλικό. Επομένως, επειδή η γέλη πυριτίου έχει ισχυρή προσρόφηση για το NH3, ο ξηραντικός παράγοντας σιλικόνης δεν μπορεί να στεγνώσει το NH3.
ΣΥΚΟ. 2 Διερεύνηση του πεδίου εφαρμογής του αποξηραντικού γέλης πυριτίου — αμμωνία
2.2 Διερεύνηση του πεδίου εφαρμογής του αποξηραντικού γέλης πυριτίου — το υδροχλώριο πρώτα καίει στερεά NaCl με φλόγα λυχνίας αλκοόλης για να αφαιρέσει το υγρό νερό στα στερεά συστατικά. Μετά την ψύξη του δείγματος, προστίθεται πυκνό θειικό οξύ σε στερεά NaCl για να παραχθεί αμέσως ένας μεγάλος αριθμός φυσαλίδων. Το παραγόμενο αέριο διοχετεύεται σε ένα σφαιρικό σωλήνα ξήρανσης που περιέχει πυριτική πηκτή και ένα υγρό χαρτί δοκιμής pH τοποθετείται στο άκρο του σωλήνα ξήρανσης. Το silica gel στο μπροστινό άκρο γίνεται ανοιχτό πράσινο και το υγρό χαρτί δοκιμής pH δεν έχει εμφανή αλλαγή (βλ. Εικόνα 3). Αυτό δείχνει ότι το παραγόμενο αέριο HCl απορροφάται πλήρως από το silica gel και δεν διαφεύγει στον αέρα.
Σχήμα 3 Έρευνα σχετικά με το εύρος εφαρμογής του αποξηραντικού γέλης πυριτίου — υδροχλώριο
Το πυριτικό πήκτωμα προσρόφησε HCl και έγινε ανοιχτό πράσινο τοποθετήθηκε σε δοκιμαστικό σωλήνα. Βάλτε το νέο μπλε σιλικαζέλ στον δοκιμαστικό σωλήνα, προσθέστε συμπυκνωμένο υδροχλωρικό οξύ, το silica gel γίνεται επίσης ανοιχτό πράσινο χρώμα, τα δύο χρώματα είναι βασικά τα ίδια. Αυτό δείχνει το αέριο silica gel στον σφαιρικό σωλήνα ξήρανσης.
2.3 Διερεύνηση του πεδίου εφαρμογής του αποξηραντικού γέλης πυριτίου — διοξείδιο του θείου Μικτό πυκνό θειικό οξύ με στερεό θειοθειικό νάτριο (βλ. Εικόνα 4), NA2s2 O3 +H2 SO4 ==Na2 SO4 +SO2 ↑+S↓+H2 O; Το παραγόμενο αέριο διέρχεται μέσω του σωλήνα ξήρανσης που περιέχει το αποχρωματισμένο silica gel, το αποχρωματισμένο silica gel γίνεται ανοιχτό μπλε-πράσινο και το μπλε χαρτί λακκούβας στο τέλος του υγρού χαρτιού δοκιμής δεν αλλάζει σημαντικά, υποδεικνύοντας ότι το παραγόμενο αέριο SO2 έχει έχει απορροφηθεί πλήρως από τη σφαίρα του silica gel και δεν μπορεί να διαφύγει.
ΣΥΚΟ. 4 Διερεύνηση του πεδίου εφαρμογής του αποξηραντικού γέλης πυριτίου — διοξείδιο του θείου
Αφαιρέστε ένα μέρος της μπάλας του silica gel και βάλτε το σε απεσταγμένο νερό. Μετά την πλήρη ισορροπία, πάρτε μια μικρή ποσότητα νερού στο μπλε χαρτί λακκούβας. Το χαρτί δοκιμής δεν αλλάζει σημαντικά, υποδεικνύοντας ότι το απεσταγμένο νερό δεν επαρκεί για την εκρόφηση του SO2 από το silica gel. Πάρτε ένα μικρό μέρος της μπάλας γέλης πυριτίου και θερμαίνετε το στον δοκιμαστικό σωλήνα. Τοποθετήστε βρεγμένο μπλε χαρτί λακκούβας στο στόμιο του δοκιμαστικού σωλήνα. Το μπλε χαρτί λακκούβας γίνεται κόκκινο, υποδεικνύοντας ότι η θέρμανση κάνει το αέριο SO2 να εκροφάται από τη σφαίρα του σιλικαζέλ, κάνοντας έτσι το χαρτί λακκούβας να γίνει κόκκινο. Τα παραπάνω πειράματα δείχνουν ότι η γέλη πυριτίου έχει επίσης ισχυρή επίδραση προσρόφησης σε SO2 ή H2SO3 και δεν μπορεί να χρησιμοποιηθεί για ξήρανση αερίου SO2.
2.4 Διερεύνηση του πεδίου εφαρμογής του αποξηραντικού γέλης πυριτίου — Διοξείδιο του άνθρακα
Όπως φαίνεται στο Σχήμα 5, το διάλυμα διττανθρακικού νατρίου που στάζει φαινολοφθαλεΐνη εμφανίζεται ανοιχτό κόκκινο. Το στερεό όξινου ανθρακικού νατρίου θερμαίνεται και το προκύπτον αέριο μίγμα διέρχεται μέσω ενός σωλήνα ξήρανσης που περιέχει σφαίρες αποξηραμένης γέλης πυριτίου. Το silica gel δεν αλλάζει σημαντικά και το διττανθρακικό νάτριο που στάζει με φαινολοφθαλεΐνη προσροφά το HCl. Το ιόν κοβαλτίου στο αποχρωματισμένο silica gel σχηματίζει ένα πράσινο διάλυμα με Cl- και σταδιακά γίνεται άχρωμο, υποδεικνύοντας ότι υπάρχει ένα σύμπλοκο αερίου CO2 στο άκρο του σφαιρικού σωλήνα ξήρανσης. Το ανοιχτοπράσινο silica gel τοποθετείται σε απεσταγμένο νερό και το αποχρωματισμένο silica gel αλλάζει σταδιακά σε κίτρινο, υποδεικνύοντας ότι το HCl που προσροφήθηκε από το silica gel έχει εκροφηθεί στο νερό. Μια μικρή ποσότητα του ανώτερου υδατικού διαλύματος προστέθηκε στο διάλυμα νιτρικού αργύρου που οξινίστηκε με νιτρικό οξύ για να σχηματίσει ένα λευκό ίζημα. Μια μικρή ποσότητα υδατικού διαλύματος πέφτει σε ένα ευρύ φάσμα χαρτιού δοκιμής pH και το χαρτί δοκιμής γίνεται κόκκινο, υποδεικνύοντας ότι το διάλυμα είναι όξινο. Τα παραπάνω πειράματα δείχνουν ότι το silica gel έχει ισχυρή προσρόφηση στο αέριο HCl. Το HCl είναι ένα ισχυρά πολικό μόριο και η ομάδα υδροξυλίου στην επιφάνεια της γέλης πυριτίου έχει επίσης ισχυρή πολικότητα και τα δύο μπορεί να σχηματίσουν διαμοριακούς δεσμούς υδρογόνου ή να έχουν σχετικά ισχυρή διπολική αλληλεπίδραση δίπολων, με αποτέλεσμα μια σχετικά ισχυρή διαμοριακή δύναμη μεταξύ της επιφάνειας του πυριτίου γέλη και μόρια HCl, επομένως η γέλη πυριτίου έχει ισχυρή προσρόφηση HCl. Επομένως, ο ξηραντικός παράγοντας σιλικόνης δεν μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την ξήρανση της διαφυγής HCl, δηλαδή, η γέλη πυριτίου δεν προσροφά CO2 ή μόνο εν μέρει προσροφά CO2.
ΣΥΚΟ. 5 Διερεύνηση του πεδίου εφαρμογής του αποξηραντικού γέλης πυριτίου — διοξείδιο του άνθρακα
Προκειμένου να αποδειχθεί η προσρόφηση του silicagel σε αέριο διοξείδιο του άνθρακα, συνεχίζονται τα ακόλουθα πειράματα. Η σφαίρα πυριτικής πηκτής στον σφαιρικό σωλήνα ξήρανσης αφαιρέθηκε και το τμήμα χωρίστηκε σε διάλυμα διττανθρακικού νατρίου που στάζει φαινολοφθαλεΐνη. Το διάλυμα διττανθρακικού νατρίου αποχρωματίστηκε. Αυτό δείχνει ότι η γέλη πυριτίου απορροφά το διοξείδιο του άνθρακα και αφού διαλυτοποιηθεί στο νερό, το διοξείδιο του άνθρακα εκροφάται σε διάλυμα διττανθρακικού νατρίου, κάνοντας το διάλυμα διττανθρακικού νατρίου να ξεθωριάζει. Το υπόλοιπο μέρος της σφαίρας σιλικόνης θερμαίνεται σε ξηρό δοκιμαστικό σωλήνα και το προκύπτον αέριο διοχετεύεται σε διάλυμα διττανθρακικού νατρίου που στάζει φαινολοφθαλεΐνη. Σύντομα, το διάλυμα διττανθρακικού νατρίου αλλάζει από ανοιχτό κόκκινο σε άχρωμο. Αυτό δείχνει επίσης ότι η γέλη πυριτίου εξακολουθεί να έχει ικανότητα προσρόφησης για το αέριο CO2. Ωστόσο, η δύναμη προσρόφησης του silica gel στο CO2 είναι πολύ μικρότερη από αυτή του HCl, NH3 και SO2, και το διοξείδιο του άνθρακα μπορεί να προσροφηθεί μόνο εν μέρει κατά τη διάρκεια του πειράματος στο σχήμα 5. Ο λόγος για τον οποίο το silica gel μπορεί να προσροφήσει μερικώς CO2 είναι πιθανό να ότι το silica gel και το CO2 σχηματίζουν διαμοριακούς δεσμούς υδρογόνου Si — OH… O =C. Επειδή το κεντρικό άτομο άνθρακα του CO2 είναι sp υβρίδιο και το άτομο πυριτίου στο σιλικαζέλ είναι υβρίδιο sp3, το γραμμικό μόριο CO2 δεν συνεργάζεται καλά με την επιφάνεια του silica gel, με αποτέλεσμα η δύναμη προσρόφησης του διοξειδίου του άνθρακα στο διοξείδιο του άνθρακα να είναι σχετικά μικρό.
3. Σύγκριση μεταξύ της διαλυτότητας των τεσσάρων αερίων στο νερό και της κατάστασης προσρόφησης στην επιφάνεια του silica gel Από τα παραπάνω πειραματικά αποτελέσματα, μπορεί να φανεί ότι το silica gel έχει ισχυρή ικανότητα προσρόφησης για αμμωνία, υδροχλώριο και διοξείδιο του θείου, αλλά μια μικρή δύναμη προσρόφησης για το διοξείδιο του άνθρακα (βλ. Πίνακα 1). Αυτό είναι παρόμοιο με τη διαλυτότητα των τεσσάρων αερίων στο νερό. Αυτό μπορεί να οφείλεται στο ότι τα μόρια του νερού περιέχουν υδροξυ-ΟΗ και η επιφάνεια του silica gel είναι επίσης πλούσια σε υδροξύλιο, επομένως η διαλυτότητα αυτών των τεσσάρων αερίων στο νερό είναι πολύ παρόμοια με την προσρόφησή του στην επιφάνεια του silica gel. Μεταξύ των τριών αερίων αερίου αμμωνίας, υδροχλωρίου και διοξειδίου του θείου, το διοξείδιο του θείου έχει τη μικρότερη διαλυτότητα στο νερό, αλλά μετά την απορρόφησή του από πυριτική γέλη, είναι το πιο δύσκολο να εκροφηθεί μεταξύ των τριών αερίων. Αφού το silica gel απορροφήσει αμμωνία και υδροχλώριο, μπορεί να εκροφηθεί με νερό διαλύτη. Αφού το αέριο διοξείδιο του θείου προσροφηθεί από πυριτική πηκτή, είναι δύσκολο να εκροφηθεί με νερό και πρέπει να θερμανθεί μέχρι εκρόφησης από την επιφάνεια του silica gel. Επομένως, η προσρόφηση τεσσάρων αερίων στην επιφάνεια του silica gel πρέπει να υπολογιστεί θεωρητικά.
4 Ο θεωρητικός υπολογισμός της αλληλεπίδρασης μεταξύ πυριτικής πηκτής και τεσσάρων αερίων παρουσιάζεται στο λογισμικό κβαντικοποίησης ORCA [4] στο πλαίσιο της λειτουργικής θεωρίας πυκνότητας (DFT). Η μέθοδος DFT D/B3LYP/Def2 TZVP χρησιμοποιήθηκε για τον υπολογισμό των τρόπων αλληλεπίδρασης και των ενεργειών μεταξύ διαφορετικών αερίων και πήγματος πυριτίας. Προκειμένου να απλοποιηθεί ο υπολογισμός, τα στερεά πήγματος πυριτίας αντιπροσωπεύονται από μόρια τετραμερούς ορθοπυριτικού οξέος. Τα αποτελέσματα του υπολογισμού δείχνουν ότι τα H2O, NH3 και HCl μπορούν όλα να σχηματίσουν δεσμούς υδρογόνου με την ομάδα υδροξυλίου στην επιφάνεια του σιλικαζέλ (βλ. Εικόνα 6a ~ c). Έχουν σχετικά ισχυρή ενέργεια δέσμευσης στην επιφάνεια του silica gel (βλέπε Πίνακα 2) και απορροφώνται εύκολα στην επιφάνεια του silicagel. Δεδομένου ότι η ενέργεια δέσμευσης του NH3 και του HCl είναι παρόμοια με αυτή του H2O, το πλύσιμο με νερό μπορεί να οδηγήσει σε εκρόφηση αυτών των δύο μορίων αερίου. Για το μόριο SO2, η ενέργεια δέσμευσής του είναι μόνο -17,47 kJ/mol, η οποία είναι πολύ μικρότερη από τα παραπάνω τρία μόρια. Ωστόσο, το πείραμα επιβεβαίωσε ότι το αέριο SO2 προσροφάται εύκολα στο silica gel, και ακόμη και το πλύσιμο δεν μπορεί να το εκροφήσει, και μόνο η θέρμανση μπορεί να κάνει το SO2 να διαφύγει από την επιφάνεια του silica gel. Επομένως, μαντέψαμε ότι το SO2 είναι πιθανό να συνδυάζεται με H2O στην επιφάνεια του silicagel για να σχηματίσει κλάσματα H2SO3. Το σχήμα 6ε δείχνει ότι το μόριο H2SO3 σχηματίζει τρεις δεσμούς υδρογόνου με τα άτομα υδροξυλίου και οξυγόνου στην επιφάνεια του σιλικαζέλ ταυτόχρονα και η ενέργεια δέσμευσης είναι τόσο υψηλή όσο -76,63 kJ/mol, γεγονός που εξηγεί γιατί το SO2 προσροφήθηκε στο το silica gel είναι δύσκολο να ξεφύγει με νερό. Το μη πολικό CO2 έχει την πιο αδύναμη συνδετική ικανότητα με το silica gel και μπορεί να προσροφηθεί μόνο εν μέρει από το silica gel. Αν και η ενέργεια δέσμευσης του H2CO3 και του silica gel έφτασε επίσης τα -65,65 kJ/mol, ο ρυθμός μετατροπής του CO2 σε H2CO3 δεν ήταν υψηλός, επομένως ο ρυθμός προσρόφησης του CO2 μειώθηκε επίσης. Μπορεί να φανεί από τα παραπάνω δεδομένα ότι η πολικότητα του μορίου του αερίου δεν είναι το μόνο κριτήριο για να κριθεί εάν μπορεί να προσροφηθεί από πυριτική πηκτή και ο δεσμός υδρογόνου που σχηματίζεται με την επιφάνεια του σιλικαζέλ είναι ο κύριος λόγος για τη σταθερή προσρόφησή του.
Η σύνθεση του silica gel είναι SiO2 ·nH2 O, η τεράστια επιφάνεια του silica gel και η πλούσια ομάδα υδροξυλίου στην επιφάνεια κάνουν το silica gel μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως μη τοξικό στεγνωτήριο με εξαιρετική απόδοση και χρησιμοποιείται ευρέως στην παραγωγή και τη ζωή . Σε αυτό το άρθρο, επιβεβαιώνεται από δύο όψεις του πειράματος και του θεωρητικού υπολογισμού ότι η γέλη πυριτίου μπορεί να προσροφήσει NH3, HCl, SO2, CO2 και άλλα αέρια μέσω διαμοριακών δεσμών υδρογόνου, επομένως η γέλη πυριτίου δεν μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την ξήρανση αυτών των αερίων. Η σύνθεση του silica gel είναι SiO2 ·nH2 O, η τεράστια επιφάνεια του silica gel και η πλούσια ομάδα υδροξυλίου στην επιφάνεια κάνουν το silica gel μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως μη τοξικό στεγνωτήριο με εξαιρετική απόδοση και χρησιμοποιείται ευρέως στην παραγωγή και τη ζωή . Σε αυτό το άρθρο, επιβεβαιώνεται από δύο όψεις του πειράματος και του θεωρητικού υπολογισμού ότι η γέλη πυριτίου μπορεί να προσροφήσει NH3, HCl, SO2, CO2 και άλλα αέρια μέσω διαμοριακών δεσμών υδρογόνου, επομένως η γέλη πυριτίου δεν μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την ξήρανση αυτών των αερίων.
３
ΣΥΚΟ. 6 Τρόποι αλληλεπίδρασης μεταξύ διαφορετικών μορίων και επιφάνειας πυριτικής πηκτής που υπολογίζονται με τη μέθοδο DFT
Ώρα δημοσίευσης: Νοε-14-2023
