V proizvodnji in življenjski dobi se silikagel lahko uporablja za sušenje N2, zraka, vodika, zemeljskega plina [1] itd. Glede na kislino in alkalijo lahko sušilno sredstvo razdelimo na: kislinsko sušilno sredstvo, alkalno sušilno sredstvo in nevtralno sušilno sredstvo [2]. Zdi se, da je silikagel nevtralen sušilnik, ki suši NH3, HCl, SO2 itd. Vendar je z načelnega vidika silikagel sestavljen iz tridimenzionalne medmolekularne dehidracije molekul ortosilicijeve kisline, glavno telo je SiO2, in površina je bogata s hidroksilnimi skupinami (glej sliko 1). Razlog, zakaj lahko silikagel absorbira vodo, je, da lahko silicijeva hidroksilna skupina na površini silikagela tvori medmolekularne vodikove vezi z molekulami vode, tako da lahko adsorbira vodo in tako igra vlogo sušenja. Silikagel, ki spreminja barvo, vsebuje kobaltove ione in potem, ko adsorpcijska voda doseže nasičenost, postanejo kobaltovi ioni v silikagelu, ki spreminja barvo, hidratizirani kobaltovi ioni, tako da modri silikagel postane roza. Po segrevanju rožnatega silikagela pri 200 ℃ nekaj časa se vodikova vez med silikagelom in vodnimi molekulami prekine in razbarvani silikagel se ponovno obarva modro, tako da lahko strukturni diagram silicijeve kisline in silikagela ponovno uporabiti, kot je prikazano na sliki 1. Torej, ker je površina silikagela bogata s hidroksilnimi skupinami, lahko površina silikagela tvori tudi medmolekularne vodikove vezi z NH3 in HCl itd., in morda ne bo nobenega načina, da deluje kot sušilno sredstvo NH3 in HCl, zato v obstoječi literaturi ni ustreznega poročila. Kakšni so bili rezultati? Ta oseba je opravila naslednjo eksperimentalno raziskavo.
FIG. 1 Strukturni diagram orto-silicijeve kisline in silikagela
2 Eksperimentalni del
2.1 Raziskava področja uporabe silikagelnega sušilnega sredstva – amoniak Najprej smo razbarvani silikagel dali v destilirano vodo oziroma koncentrirano amoniakovo vodo. Razbarvan silikagel postane rožnat v destilirani vodi; V koncentriranem amoniaku se silikon, ki spreminja barvo, najprej obarva rdeče in počasi postane svetlo moder. To kaže, da lahko silikagel absorbira NH3 ali NH3 ·H2O v amoniaku. Kot je prikazano na sliki 2, sta trdni kalcijev hidroksid in amonijev klorid enakomerno pomešana in segreta v epruveti. Nastali plin se odstrani z alkalnim apnom in nato s silikagelom. Barva silikagela v bližini vstopne smeri postane svetlejša (barva obsega uporabe sušilnega sredstva silikagela na sliki 2 je raziskana — amoniak 73, 8. faza 2023 je v bistvu enaka barvi silikagela, namočenega v v koncentrirani amoniakovi vodi), testni papir pH pa nima očitnih sprememb. To pomeni, da proizvedeni NH3 ni dosegel pH testnega papirja in je bil popolnoma adsorbiran. Po določenem času prenehajte s segrevanjem, vzemite majhen del kroglice silikagela, jo dajte v destilirano vodo, vodi dodajte fenolftalein, raztopina postane rdeča, kar pomeni, da ima silikagel močan adsorpcijski učinek na NH3, potem ko se destilirana voda odlepi, NH3 vstopi v destilirano vodo, raztopina je alkalna. Zato, ker ima silikagel močno adsorpcijo za NH3, silikonsko sušilno sredstvo ne more posušiti NH3.
FIG. 2 Raziskava področja uporabe silikagelnega sušilnega sredstva - amoniaka
2.2 Raziskava področja uporabe silikagelnega sušilnega sredstva – vodikov klorid najprej sežge trdne snovi NaCl s plamenom alkoholne svetilke, da odstrani mokro vodo v trdnih komponentah. Ko je vzorec ohlajen, se trdnim snovem NaCl doda koncentrirana žveplova kislina, da se takoj proizvede veliko število mehurčkov. Ustvarjeni plin se prenese v sferično sušilno cev, ki vsebuje silikagel, na koncu sušilne cevi pa se namesti moker pH testni papir. Silikagel na sprednjem koncu postane svetlo zelen, mokri testni papir pH pa nima očitne spremembe (glejte sliko 3). To kaže, da nastali plin HCl popolnoma adsorbira silikagel in ne uhaja v zrak.
Slika 3 Raziskava področja uporabe silikagelnega sušilnega sredstva — klorovodika
Silikagel, ki je adsorbiral HCl in postal svetlo zelen, smo dali v epruveto. V epruveto dajte nov modri silikagel, dodajte koncentrirano klorovodikovo kislino, tudi silikagel postane svetlo zelene barve, barvi sta v bistvu enaki. To prikazuje plin silikagel v sferični sušilni cevi.
2.3 Raziskava obsega uporabe silikagelnega sušilnega sredstva – žveplov dioksid Mešana koncentrirana žveplova kislina s trdno snovjo natrijevega tiosulfata (glej sliko 4), NA2s2 O3 +H2 SO4 ==Na2 SO4 +SO2 ↑+S↓+H2 O; Nastali plin gre skozi sušilno cev, ki vsebuje razbarvan silikagel, razbarvan silikagel postane svetlo modro-zelen, moder lakmusov papir na koncu mokrega testnega papirja pa se bistveno ne spremeni, kar kaže, da je nastali plin SO2 kroglica silikagela popolnoma absorbira in ne more uiti.
FIG. 4 Raziskava področja uporabe sušilnega sredstva iz silikagela — žveplovega dioksida
Odstranite del kroglice silikagela in jo dajte v destilirano vodo. Po popolnem ravnotežju vzemite majhno količino vodne kapljice na moder lakmusov papir. Testni papir se bistveno ne spremeni, kar kaže na to, da destilirana voda ni dovolj za desorpcijo SO2 iz silikagela. Vzemite majhen del kroglice silikagela in jo segrejte v epruveti. Na ustje epruvete položite moker moder lakmusov papir. Modri lakmusov papir postane rdeč, kar pomeni, da se zaradi segrevanja plin SO2 desorbira iz kroglice silikagela, zaradi česar se lakmusov papir obarva rdeče. Zgornji poskusi kažejo, da ima silikagel tudi močan adsorpcijski učinek na SO2 ali H2 SO3 in ga ni mogoče uporabiti za sušenje plina SO2.
2.4 Raziskava področja uporabe silikagelnega sušilnega sredstva – Ogljikov dioksid
Kot je prikazano na sliki 5, je raztopina natrijevega bikarbonata, iz katere kaplja fenolftalein, videti svetlo rdeča. Trdna snov natrijevega bikarbonata se segreje in nastala mešanica plinov se spusti skozi sušilno cev, ki vsebuje posušene kroglice silikagela. Silikagel se bistveno ne spremeni in natrijev bikarbonat, pokapljan s fenolftaleinom, adsorbira HCl. Kobaltov ion v razbarvanem silikagelu tvori zeleno raztopino s Cl- in postopoma postane brezbarven, kar kaže, da je na koncu sferične sušilne cevi plinski kompleks CO2. Svetlozelen silikagel damo v destilirano vodo in razbarvani silikagel se postopoma spremeni v rumeno, kar pomeni, da je bil HCl, adsorbiran s silikagelom, desorbiran v vodo. Majhno količino zgornje vodne raztopine smo dodali raztopini srebrovega nitrata, nakisani z dušikovo kislino, da je nastala bela oborina. Majhno količino vodne raztopine kapnemo na testni papir s širokim razponom pH in testni papir postane rdeč, kar pomeni, da je raztopina kisla. Zgornji poskusi kažejo, da ima silikagel močno adsorpcijo plina HCl. HCl je močno polarna molekula in hidroksilna skupina na površini silikagela ima tudi močno polarnost in lahko tvorita medmolekularne vodikove vezi ali imata relativno močno dipolno dipolno interakcijo, kar ima za posledico relativno močno medmolekularno silo med površino silicijevega dioksida gela in molekul HCl, zato ima silikagel močno adsorpcijo HCl. Zato silikonskega sušilnega sredstva ni mogoče uporabiti za sušenje izpusta HCl, kar pomeni, da silikagel ne adsorbira CO2 ali le delno adsorbira CO2.
FIG. 5 Raziskava področja uporabe silikagelnega sušilnega sredstva - ogljikov dioksid
Da bi dokazali adsorpcijo silikagela na plin ogljikov dioksid, se nadaljujejo naslednji poskusi. Kroglica silikagela v sferični sušilni cevi je bila odstranjena in del je bil razdeljen v raztopino natrijevega bikarbonata, iz katere kaplja fenolftalein. Raztopino natrijevega bikarbonata smo razbarvali. To kaže, da silikagel adsorbira ogljikov dioksid in po tem, ko je topen v vodi, se ogljikov dioksid desorbira v raztopino natrijevega bikarbonata, zaradi česar raztopina natrijevega bikarbonata zbledi. Preostali del silikonske krogle se segreva v suhi epruveti in nastali plin prehaja v raztopino natrijevega bikarbonata, pokapljanega s fenolftaleinom. Kmalu se raztopina natrijevega bikarbonata spremeni iz svetlo rdeče v brezbarvno. To tudi kaže, da ima silikagel še vedno sposobnost adsorpcije plina CO2. Vendar pa je adsorpcijska sila silikagela na CO2 veliko manjša kot pri HCl, NH3 in SO2, ogljikov dioksid pa se med poskusom na sliki 5 lahko le delno adsorbira. Razlog, zakaj lahko silikagel delno adsorbira CO2, je verjetno da silikagel in CO2 tvorita medmolekulske vodikove vezi Si — OH… O =C. Ker je osrednji atom ogljika CO2 hibrid sp, atom silicija v silikagelu pa je hibrid sp3, linearna molekula CO2 ne sodeluje dobro s površino silikagela, zaradi česar je adsorpcijska sila silikagela na ogljikov dioksid relativno majhna.
3. Primerjava med topnostjo štirih plinov v vodi in statusom adsorpcije na površini silikagela Iz zgornjih eksperimentalnih rezultatov je razvidno, da ima silikagel močno adsorpcijsko sposobnost za amoniak, vodikov klorid in žveplov dioksid, vendar majhna adsorpcijska sila za ogljikov dioksid (glej tabelo 1). To je podobno topnosti štirih plinov v vodi. To je lahko zato, ker molekule vode vsebujejo hidroksi-OH, površina silikagela pa je prav tako bogata s hidroksilom, zato je topnost teh štirih plinov v vodi zelo podobna njihovi adsorpciji na površini silikagela. Med tremi plini, plinastim amoniakom, vodikovim kloridom in žveplovim dioksidom, ima žveplov dioksid najmanjšo topnost v vodi, vendar ga je po adsorpciji s silikagelom med tremi plini najtežje desorpcijsko. Ko silikagel adsorbira amoniak in vodikov klorid, ga je mogoče desorbirati s topilo vodo. Potem ko se žveplov dioksid adsorbira s silikagelom, ga je težko desorpcijo z vodo in ga je treba segreti, da se desorpcija s površine silikagela. Zato je treba teoretično izračunati adsorpcijo štirih plinov na površini silikagela.
4 Teoretični izračun interakcije med silikagelom in štirimi plini je predstavljen v kvantizacijski programski opremi ORCA [4] v okviru teorije funkcionalne gostote (DFT). Metoda DFT D/B3LYP/Def2 TZVP je bila uporabljena za izračun interakcijskih načinov in energij med različnimi plini in silikagelom. Za poenostavitev izračuna so trdne snovi silikagela predstavljene s tetramernimi molekulami ortosilicijeve kisline. Rezultati izračuna kažejo, da lahko H2 O, NH3 in HCl tvorijo vodikove vezi s hidroksilno skupino na površini silikagela (glej sliko 6a ~ c). Imajo relativno močno vezavno energijo na površini silikagela (glej tabelo 2) in se zlahka adsorbirajo na površini silikagela. Ker je energija vezave NH3 in HCl podobna energiji vezave H2 O, lahko izpiranje z vodo povzroči desorpcijo teh dveh molekul plina. Za molekulo SO2 je njena vezavna energija samo -17,47 kJ/mol, kar je veliko manj kot pri zgornjih treh molekulah. Vendar pa je poskus potrdil, da se plin SO2 zlahka adsorbira na silikagelu in ga tudi s pranjem ni mogoče desorbirati, samo segrevanje pa lahko povzroči, da SO2 uide s površine silikagela. Zato smo ugibali, da se bo SO2 verjetno združil s H2O na površini silikagela in tvoril frakcije H2SO3. Slika 6e prikazuje, da molekula H2 SO3 hkrati tvori tri vodikove vezi s hidroksilnimi in kisikovimi atomi na površini silikagela, vezavna energija pa je kar -76,63 kJ/mol, kar pojasnjuje, zakaj se SO2 adsorbira na silikagel je težko odstraniti z vodo. Nepolarni CO2 ima najšibkejšo sposobnost vezave s silikagelom in ga lahko silikagel le delno adsorbira. Čeprav je vezavna energija H2 CO3 in silikagela prav tako dosegla -65,65 kJ/mol, stopnja pretvorbe CO2 v H2 CO3 ni bila visoka, zato se je zmanjšala tudi stopnja adsorpcije CO2. Iz zgornjih podatkov je razvidno, da polarnost molekule plina ni edino merilo za presojo, ali jo lahko adsorbira silikagel, vodikova vez, ki se tvori s površino silikagela, pa je glavni razlog za njegovo stabilno adsorpcijo.
Sestava silikagela je SiO2 ·nH2 O, ogromna površina silikagela in bogata hidroksilna skupina na površini omogočata, da se silikagel lahko uporablja kot nestrupen sušilnik z odlično zmogljivostjo in se pogosto uporablja v proizvodnji in življenju . V tem prispevku je z dveh vidikov eksperimenta in teoretičnega izračuna potrjeno, da lahko silikagel adsorbira NH3, HCl, SO2, CO2 in druge pline preko medmolekularnih vodikovih vezi, zato silikagela ni mogoče uporabiti za sušenje teh plinov. Sestava silikagela je SiO2 ·nH2 O, ogromna površina silikagela in bogata hidroksilna skupina na površini omogočata, da se silikagel lahko uporablja kot nestrupen sušilnik z odlično zmogljivostjo in se pogosto uporablja v proizvodnji in življenju . V tem prispevku je z dveh vidikov eksperimenta in teoretičnega izračuna potrjeno, da lahko silikagel adsorbira NH3, HCl, SO2, CO2 in druge pline preko medmolekularnih vodikovih vezi, zato silikagela ni mogoče uporabiti za sušenje teh plinov.
３
FIG. 6 Načini interakcij med različnimi molekulami in površino silikagela, izračunani z metodo DFT
Čas objave: 14. nov. 2023
