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 сферы 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 сіняя лакмусавая паперка ў 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 дэсорбуецца 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 гідраксіламі, 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 трох вышэйзгаданых 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 даных відаць, што палярнасць малекулы газу не з'яўляецца адзіным крытэрыем для меркавання аб тым, ці можа яна адсарбавацца силикагелем, 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
