У вытворчасці і жыцці сілікагель можна выкарыстоўваць для сушкі N2, паветра, вадароду, прыроднага газу [1] і гэтак далей. У залежнасці ад кіслаты і шчолачы асушальнік можна падзяліць на: кіслотны асушальнік, шчолачны асушальнік і нейтральны асушальнік [2]. Сілікагель выглядае як нейтральны асушальнік, які, здаецца, сушыць NH3, HCl, SO2 і г.д. Аднак, з прынцыповага пункту гледжання, сілікагель складаецца з трохмернай міжмалекулярнай дэгідратацыі малекул ортакрэмніевай кіслаты, асноўнай часткай з'яўляецца SiO2, а паверхня багатая гідраксільнымі групамі (гл. малюнак 1). Прычына, па якой сілікагель можа паглынаць ваду, заключаецца ў тым, што гідраксільная група крэмнію на паверхні силикагеля можа ўтвараць міжмалекулярныя вадародныя сувязі з малекуламі вады, таму ён можа адсарбаваць ваду і, такім чынам, выконваць ролю сушкі. Силикагель, які змяняе колер, утрымлівае іёны кобальту, і пасля таго, як адсарбцыйная вада дасягае насычэння, іёны кобальту ў силикагеле, які змяняе колер, становяцца гідратаванымі іёнамі кобальту, так што сіні силикагель становіцца ружовым. Пасля награвання ружовага сілікагеля пры 200 ℃ на працягу пэўнага перыяду часу вадародная сувязь паміж силикагелем і малекуламі вады разрываецца, і абескаляроўваецца сілікагель зноў становіцца сінім, так што схема структуры крэмніевай кіслаты і силикагеля можа выкарыстоўваць паўторна, як паказана на малюнку 1. Такім чынам, паколькі паверхня сілікагеля багатая гідраксільнымі групамі, паверхня сілікагеля можа таксама ўтвараць міжмалекулярныя вадародныя сувязі з NH3 і HCl і г.д., і можа не быць спосабу дзейнічаць як асушальнік NH3 і HCl, і ў існуючай літаратуры няма адпаведнага паведамлення. Такім чынам, якія былі вынікі? Гэты прадмет правёў наступнае эксперыментальнае даследаванне.
ФІГ. 1 Структурная схема орта-крэмніевай кіслаты і силикагеля
2 Эксперыментальная частка
2.1 Даследаванне вобласці прымянення асушальніка на сілікагелі — аміяку. Спачатку абескаляроўваны силикагель змясцілі ў дыстыляваную ваду і канцэнтраваную аміячную ваду адпаведна. Абескаляроўваецца силикагель становіцца ружовым у дыстыляванай вадзе; У канцэнтраваным аміяку сілікон, які змяняе колер, спачатку становіцца чырвоным, а потым павольна становіцца светла-блакітным. Гэта паказвае, што сілікагель можа паглынаць NH3 або NH3 ·H2O ў аміяку. Як паказана на малюнку 2, цвёрды гідраксід кальцыя і хларыд амонія раўнамерна змешваюць і награваюць у прабірцы. Які ўтвараецца газ выдаляюць шчолачнай вапнай, а затым силикагелем. Колер сілікагеля ў напрамку ўваходу становіцца святлейшым (колер вобласці прымянення асушальніка сілікагеля на малюнку 2 вывучаны — аміяк 73, 8-я фаза 2023 г. у асноўным такі ж, як колер сілікагеля, прасякнутага у канцэнтраванай аміячнай вадзе), і папера для тэставання рН не мае відавочных змен. Гэта сведчыць аб тым, што атрыманы NH3 не дасягнуў тэставай паперы для pH і цалкам адсарбаваны. Праз некаторы час спыніце награванне, дастаньце невялікую частку шарыка сілікагеля, пакладзеце яго ў дыстыляваную ваду, дадайце ў ваду фенолфталеін, раствор стане чырвоным, што сведчыць аб моцным адсарбцыйным дзеянні сілікагеля. NH3, пасля адлучэння дыстыляванай вады NH3 паступае ў дыстыляваную ваду, раствор шчолачны. Такім чынам, паколькі сілікагель мае моцную адсорбцыю NH3, сіліконавы асушальнік не можа высушыць NH3.
ФІГ. 2 Вывучэнне вобласці прымянення сілікагелевага асушальніка — аміяку
2.2 Вывучэнне сферы прымянення асушальніка з сілікагеля — хларыд вадароду спачатку спальвае цвёрдыя рэчывы NaCl полымем спіртавой лямпы для выдалення вільготнай вады ў цвёрдых кампанентах. Пасля астуджэння ўзору да цвёрдых часціц NaCl дадаюць канцэнтраваную серную кіслату, каб адразу ж утварылася вялікая колькасць бурбалак. Адукаваны газ перадаецца ў сферычную сушыльную трубку, якая змяшчае силикагель, а на канцы сушыльнай трубкі змяшчаецца вільготная папера для тэставання рН. Сілікагель на пярэднім канцы становіцца светла-зялёным, а вільготная тэставая папера рН не мае відавочных змен (гл. малюнак 3). Гэта сведчыць аб тым, што ўтвораны газ HCl цалкам адсарбуецца сілікагелем і не выходзіць у паветра.
Малюнак 3. Даследаванне вобласці прымянення асушальніка силикагеля — хлорыстага вадароду
Силикагель адсарбаваны HCl і стаў светла-зялёным быў змешчаны ў прабірку. Пакладзеце новы сіні силикагель ў прабірку, дадайце канцэнтраваную саляную кіслату, силикагель таксама стане светла-зялёным, два колеры ў асноўным аднолькавыя. Гэта паказвае газ сілікагель у сферычнай сушыльнай трубе.
2.3 Вывучэнне сферы прымянення асушальніка з сілікагеля — дыяксіду серы. Змешаная канцэнтраваная серная кіслата з цвёрдым тыясульфатам натрыю (гл. малюнак 4), NA2s2 O3 +H2 SO4 ==Na2 SO4 +SO2 ↑+S↓+H2 O; Адукаваны газ прапускаюць праз сушыльную трубку, якая змяшчае абескаляроўваецца сілікагель, абескаляроўваецца сілікагель, які становіцца светла-блакітна-зялёным, а блакітная лакмусавая паперка на канцы вільготнай тэставай паперы істотна не мяняецца, што сведчыць аб тым, што газ SO2, які ўтвараецца быў цалкам адсарбаваны шарыкам сілікагеля і не можа вырвацца.
ФІГ. 4 Вывучэнне вобласці прымянення сілікагелевага асушальніка — дыяксіду серы
Зніміце частку шарыка з силикагеля і пакладзеце яго ў дыстыляваную ваду. Пасля поўнага балансу вазьміце невялікую колькасць вады на сінюю лакмусавую паперку. Тэст паперы істотна не змяняецца, што паказвае на тое, што дыстыляванай вады недастаткова для дэсорбцыі SO2 з сілікагеля. Вазьміце невялікую частку шарыка сілікагеля і нагрэйце яе ў прабірцы. Пакладзеце вільготную сінюю лакмусавую паперку ў вусце прабіркі. Сіняя лакмусавая паперка становіцца чырвонай, што сведчыць аб тым, што пры награванні газ SO2 дэсорбуецца з шарыка сілікагеля, у выніку чаго лакмусавая паперка становіцца чырвонай. Прыведзеныя вышэй эксперыменты паказваюць, што сілікагель таксама аказвае моцны адсорбцыйны эфект на SO2 або H2SO3 і не можа выкарыстоўвацца для асушэння газу SO2.
2.4 Вывучэнне сферы прымянення асушальніка силикагеля — вуглякіслага газу
Як паказана на малюнку 5, раствор бікарбанату натрыю, капае фенолфталеін, выглядае светла-чырвоным. Цвёрдае рэчыва бікарбанату натрыю награваюць, і атрыманую газавую сумесь прапускаюць праз сушыльную трубку, якая змяшчае высушаныя сферы сілікагеля. Сілікагель істотна не змяняецца, і бікарбанат натрыю, капаючы з фенолфталеінам, адсарбуе HCl. Іён кобальту ў абескаляроўленым сілікагелі ўтварае зялёны раствор з Cl- і паступова становіцца бясколерным, што сведчыць аб наяўнасці газавага комплексу CO2 на канцы сферычнай сушыльнай трубкі. Светла-зялёны силикагель змяшчаецца ў дыстыляваную ваду, і абескаляроўваецца силикагель паступова змяняецца на жоўты, што сведчыць аб тым, што HCl, адсарбаваны силикагелем, дэсорбаваны ў ваду. Да падкісленага азотнай кіслатой раствора нітрату срэбра дабаўлялі невялікую колькасць верхняга воднага раствора з адукацыяй белага асадка. Невялікая колькасць воднага раствора капае на тэставую паперу з шырокім дыяпазонам pH, і тэставая папера становіцца чырвонай, што паказвае на тое, што раствор кіслы. Прыведзеныя вышэй эксперыменты паказваюць, што сілікагель мае моцную адсорбцыю на газ HCl. HCl з'яўляецца моцна палярнай малекулай, і гідраксільная група на паверхні сілікагеля таксама мае моцную палярнасць, і яны могуць утвараць міжмалекулярныя вадародныя сувязі або мець адносна моцнае дыпольнае дыпольнае ўзаемадзеянне, што прыводзіць да адносна моцнай міжмалекулярнай сілы паміж паверхняй дыяксіду крэмнія. геля і малекул HCl, таму сілікагель мае моцную адсорбцыю HCl. Такім чынам, сіліконавы асушальнік нельга выкарыстоўваць для высушвання ўцёкаў HCl, гэта значыць силикагель не адсарбуе CO2 або толькі часткова адсарбуе CO2.
ФІГ. 5 Вывучэнне вобласці прымянення сілікагелевага асушальніка — вуглякіслага газу
Каб даказаць адсорбцыю силикагеля вуглякіслым газам, працягваюцца наступныя эксперыменты. Шарык сілікагеля ў сферычнай сушыльнай трубе выдалілі, а частку падзялілі на раствор бікарбанату натрыю, капаючы фенолфталеін. Раствор бікарбанату натрыю абескаляроўвалі. Гэта паказвае, што сілікагель адсарбуе вуглякіслы газ, а пасля растварання ў вадзе вуглякіслы газ дэсарбуецца ў раствор бікарбанату натрыю, у выніку чаго раствор бікарбанату натрыю цьмянее. Астатнюю частку сіліконавага шарыка награваюць у сухой прабірцы, а які ўтварыўся газ пераводзяць у раствор бікарбанату натрыю, капае фенолфталеин. Неўзабаве раствор бікарбанату натрыю зменіцца са светла-чырвонага на бескаляровы. Гэта таксама паказвае, што сілікагель па-ранейшаму валодае здольнасцю адсарбцыі CO2. Аднак сіла адсорбцыі сілікагелем на CO2 значна меншая, чым у HCl, NH3 і SO2, і дыяксід вугляроду можа быць адсарбаваны толькі часткова падчас эксперыменту на малюнку 5. Прычына, чаму силикагель можа часткова адсарбаваць CO2, верагодна, заключаецца ў што сілікагель і CO2 утвараюць міжмалекулярныя вадародныя сувязі Si — OH… O =C. Паколькі цэнтральны атам вугляроду CO2 з'яўляецца гібрыдам sp, а атам крэмнію ў сілікагелі з'яўляецца гібрыдам sp3, лінейная малекула CO2 дрэнна ўзаемадзейнічае з паверхняй сілікагеля, што прыводзіць да таго, што сіла адсорбцыі сілікагеля на вуглякіслы газ адносная невялікія.
3. Параўнанне паміж растваральнасцю чатырох газаў у вадзе і статусам адсорбцыі на паверхні сілікагеля. З прыведзеных вышэй эксперыментальных вынікаў відаць, што сілікагель мае моцную адсарбцыйную здольнасць для аміяку, хларыду вадароду і дыяксіду серы, але малая сіла адсорбцыі вуглякіслага газу (гл. табл. 1). Гэта падобна на растваральнасць чатырох газаў у вадзе. Гэта можа быць таму, што малекулы вады ўтрымліваюць гідраксіл-ОН, а паверхня сілікагеля таксама багатая гідраксілам, таму растваральнасць гэтых чатырох газаў у вадзе вельмі падобная на яе адсорбцыю на паверхні силикагеля. Сярод трох газаў, такіх як аміяк, хларыд вадароду і дыяксід серы, дыяксід серы мае найменшую растваральнасць у вадзе, але пасля адсорбцыі сілікагелем ён найбольш цяжка паддаецца дэсорбцыі сярод гэтых трох газаў. Пасля таго, як сілікагель адсарбуе аміяк і хларыд вадароду, яго можна дэсарбаваць вадой-растваральнікам. Пасля таго, як дыяксід серы адсарбуецца сілікагелем, яго цяжка дэсорбаваць вадой, і яго неабходна награваць для дэсорбцыі з паверхні силикагеля. Такім чынам, адсорбцыю чатырох газаў на паверхні силикагеля неабходна тэарэтычна разлічыць.
4 Тэарэтычны разлік узаемадзеяння паміж сілікагелем і чатырма газамі прадстаўлены ў праграмным забеспячэнні квантавання ORCA [4] у рамках тэорыі функцыянала шчыльнасці (DFT). Метад DFT D/B3LYP/Def2 TZVP выкарыстоўваўся для разліку рэжымаў узаемадзеяння і энергій паміж рознымі газамі і сілікагелем. Для спрашчэння разліку цвёрдыя рэчывы силикагеля прадстаўлены тетрамерными малекуламі ортокремниевой кіслаты. Вынікі разлікаў паказваюць, што H2O, NH3 і HCl могуць утвараць вадародныя сувязі з гідраксільнай групай на паверхні сілікагеля (гл. малюнак 6a ~ c). Яны валодаюць адносна моцнай энергіяй сувязі на паверхні силикагеля (гл. табл. 2) і лёгка адсарбуюцца на паверхні силикагеля. Паколькі энергія сувязі NH3 і HCl аналагічная энергіі H2O, прамыванне вадой можа прывесці да дэсорбцыі гэтых дзвюх малекул газу. Для малекулы SO2 яе энергія сувязі складае ўсяго -17,47 кДж/моль, што значна менш, чым у вышэйзгаданых трох малекул. Аднак эксперымент пацвердзіў, што газ SO2 лёгка адсарбуецца на сілікагелі, і нават прамыванне не можа яго дэсарбаваць, і толькі награванне можа прымусіць SO2 выйсці з паверхні силикагеля. Такім чынам, мы здагадаліся, што SO2, хутчэй за ўсё, злучаецца з H2O на паверхні сілікагеля з адукацыяй фракцый H2SO3. Малюнак 6e паказвае, што малекула H2SO3 адначасова ўтварае тры вадародныя сувязі з атамамі гідраксілу і кіслароду на паверхні сілікагеля, а энергія сувязі дасягае -76,63 кДж/моль, што тлумачыць, чаму SO2 адсарбаваны на силикагель цяжка ачысціць ад вады. Непалярны CO2 мае самую слабую здольнасць да звязвання з силикагелем і можа адсарбавацца силикагелем толькі часткова. Хоць энергія сувязі H2 CO3 і сілікагеля таксама дасягала -65,65 кДж/моль, хуткасць пераўтварэння CO2 у H2 CO3 была невысокай, таму хуткасць адсорбцыі CO2 таксама была зніжана. З прыведзеных вышэй дадзеных відаць, што палярнасць малекулы газу не з'яўляецца адзіным крытэрыем для меркавання аб тым, ці можа яна адсарбавацца сілікагелем, а вадародная сувязь, утвораная з паверхняй силикагеля, з'яўляецца асноўнай прычынай яго стабільнай адсорбцыі.
Склад силикагеля SiO2 ·nH2 O, велізарная плошча паверхні силикагеля і багатая гідраксільная група на паверхні дазваляюць выкарыстоўваць силикагель ў якасці нетоксичного сушылкі з выдатнымі характарыстыкамі, і ён шырока выкарыстоўваецца ў вытворчасці і жыцці . У гэтым артыкуле з двух аспектаў эксперыменту і тэарэтычных разлікаў пацверджана, што сілікагель можа адсарбаваць NH3, HCl, SO2, CO2 і іншыя газы праз міжмалекулярныя вадародныя сувязі, таму сілікагель нельга выкарыстоўваць для асушэння гэтых газаў. Склад силикагеля SiO2 ·nH2 O, велізарная плошча паверхні силикагеля і багатая гідраксільная група на паверхні дазваляюць выкарыстоўваць силикагель ў якасці нетоксичного сушылкі з выдатнымі характарыстыкамі, і ён шырока выкарыстоўваецца ў вытворчасці і жыцці . У гэтым артыкуле з двух аспектаў эксперыменту і тэарэтычных разлікаў пацверджана, што сілікагель можа адсарбаваць NH3, HCl, SO2, CO2 і іншыя газы праз міжмалекулярныя вадародныя сувязі, таму сілікагель нельга выкарыстоўваць для асушэння гэтых газаў.
３
ФІГ. 6 Рэжымы ўзаемадзеяння паміж рознымі малекуламі і паверхняй сілікагеля, разлічаныя метадам DFT
Час публікацыі: 14 лістапада 2023 г
