Üretimde ve yaşamda silika jel, N2, hava, hidrojen, doğal gaz [1] vb. kurutmak için kullanılabilir. Asit ve alkaliye göre kurutucu, asit kurutucu, alkali kurutucu ve nötr kurutucu olarak ayrılabilir [2]. Silika jel, NH3, HC1, SO2 vb.'yi kurutan nötr bir kurutucu gibi görünmektedir. Bununla birlikte, prensip açısından silika jeli, ortosilikik asit moleküllerinin üç boyutlu moleküller arası dehidrasyonundan oluşur, ana gövde SiO2'dir, ve yüzey hidroksil grupları açısından zengindir (bkz. Şekil 1). Silika jelin suyu emebilmesinin nedeni, silika jelin yüzeyindeki silikon hidroksil grubunun su molekülleri ile moleküller arası hidrojen bağları oluşturabilmesi, böylece suyu adsorbe edebilmesi ve dolayısıyla kurutucu bir rol oynayabilmesidir. Renk değiştiren silika jel kobalt iyonları içerir ve adsorpsiyon suyu doygunluğa ulaştıktan sonra renk değiştiren silika jeldeki kobalt iyonları hidratlanmış kobalt iyonları haline gelir, böylece mavi silika jel pembe olur. Pembe silika jeli 200 ° C'de bir süre ısıttıktan sonra, silika jeli ile su molekülleri arasındaki hidrojen bağı kırılır ve rengi bozulan silika jeli tekrar maviye döner, böylece silisik asit ve silika jelin yapı diyagramı Şekil 1'de gösterildiği gibi yeniden kullanılabilir. Dolayısıyla, silika jelin yüzeyi hidroksil grupları açısından zengin olduğundan, silika jelin yüzeyi ayrıca NH3 ve HCl vb. ile moleküller arası hidrojen bağları oluşturabilir ve bu şekilde hareket etmenin hiçbir yolu olmayabilir. NH3 ve HCl'den oluşan bir kurutucudur ve mevcut literatürde bununla ilgili bir rapor bulunmamaktadır. Peki sonuçlar nelerdi? Bu konu aşağıdaki deneysel araştırmayı yapmıştır.
İNCİR. 1 Orto-silisik asit ve silika jelin yapı diyagramı
2 Deney Bölümü
2.1 Silika jel kurutucusunun uygulama kapsamının araştırılması - Amonyak İlk olarak, rengi solmuş silika jeli sırasıyla damıtılmış suya ve konsantre amonyak suyuna yerleştirildi. Rengi bozulan silika jeli damıtılmış suda pembeye döner; Konsantre amonyakta renk değiştiren silikon önce kırmızıya, yavaş yavaş açık maviye döner. Bu, silika jelinin amonyakta NH3 veya NH3 ·H2O'yu absorbe edebildiğini göstermektedir. Şekil 2'de gösterildiği gibi katı kalsiyum hidroksit ve amonyum klorür eşit şekilde karıştırılıp bir test tüpünde ısıtılır. Ortaya çıkan gaz, alkali kireç ve ardından silika jel ile uzaklaştırılır. Giriş yönüne yakın silika jelin rengi daha açık hale gelir (Şekil 2'deki silika jel kurutucunun uygulama kapsamının rengi incelenir - amonyak 73, 2023'ün 8. aşaması temel olarak ıslatılmış silika jelin rengiyle aynıdır) konsantre amonyak suyunda) ve pH test kağıdında belirgin bir değişiklik yoktur. Bu, üretilen NH3'ün pH test kağıdına ulaşmadığını ve tamamen adsorbe edildiğini gösterir. Bir süre sonra ısıtmayı durdurun, silika jel topunun küçük bir kısmını çıkarın, damıtılmış suya koyun, suya fenolftalein ekleyin, çözelti kırmızıya döner, bu da silika jelin güçlü bir adsorpsiyon etkisine sahip olduğunu gösterir. NH3, damıtılmış su ayrıldıktan sonra NH3 damıtılmış suya girer, çözelti alkalidir. Bu nedenle silika jelin NH3 için güçlü bir adsorpsiyonu olduğundan, silikon kurutma maddesi NH3'ü kurutamaz.
İNCİR. 2 Silika jel kurutucu - amonyak uygulama kapsamının araştırılması
2.2 Silika jel kurutucunun uygulama kapsamının araştırılması - hidrojen klorür, katı bileşenlerdeki ıslak suyu çıkarmak için önce NaCl katılarını alkol lambası aleviyle yakar. Numune soğutulduktan sonra, hemen çok sayıda kabarcık oluşturmak için NaCl katılarına konsantre sülfürik asit eklenir. Üretilen gaz, silika jel içeren küresel bir kurutma tüpüne geçirilir ve kurutma tüpünün ucuna ıslak bir pH test kağıdı yerleştirilir. Ön uçtaki silika jeli açık yeşile döner ve ıslak pH test kağıdında belirgin bir değişiklik olmaz (bkz. Şekil 3). Bu durum, üretilen HCl gazının tamamen silika jel tarafından adsorbe edildiğini ve havaya kaçmadığını göstermektedir.
Şekil 3 Silika jel kurutucunun uygulama kapsamına ilişkin araştırma - hidrojen klorür
Silika jeli HCl'yi adsorbe etti ve açık yeşile döndü, bir test tüpüne yerleştirildi. Yeni mavi silika jeli test tüpüne koyun, konsantre hidroklorik asit ekleyin, silika jel de açık yeşil renk alır, iki renk temelde aynıdır. Bu, küresel kurutma tüpündeki silika jel gazını göstermektedir.
2.3 Silika jel kurutucunun uygulama kapsamının araştırılması - kükürt dioksit Sodyum tiyosülfat katıyla karışık konsantre sülfürik asit (bkz. Şekil 4), NA2s2 O3 +H2 SO4 ==Na2 SO4 +SO2 ↑+S↓+H2 O; Üretilen gaz, rengi bozulmuş silika jeli içeren kurutma tüpünden geçirilir, rengi bozulmuş silika jeli açık mavi-yeşil olur ve ıslak test kağıdının ucundaki mavi turnusol kağıdı önemli ölçüde değişmez; bu, üretilen SO2 gazının azaldığını gösterir. silika jel topu tarafından tamamen adsorbe edilmiştir ve kaçamaz.
İNCİR. 4 Silika jel kurutucu - kükürt dioksit uygulama kapsamının araştırılması
Silika jel topunun bir kısmını çıkarın ve damıtılmış suya koyun. Tam dengeden sonra mavi turnusol kağıdına az miktarda su damlası alın. Test kağıdı önemli ölçüde değişmiyor, bu da damıtılmış suyun silika jelden SO2'yi uzaklaştırmak için yeterli olmadığını gösteriyor. Silika jel topunun küçük bir kısmını alın ve test tüpünde ısıtın. Test tüpünün ağzına ıslak mavi turnusol kağıdı koyun. Mavi turnusol kağıdı kırmızıya döner, bu da ısıtmanın SO2 gazının silika jel topundan emildiğini ve dolayısıyla turnusol kağıdının kırmızıya dönüştüğünü gösterir. Yukarıdaki deneyler silika jelin SO2 veya H2SO3 üzerinde de güçlü bir adsorpsiyon etkisine sahip olduğunu ve SO2 gazının kurutulması için kullanılamayacağını göstermektedir.
2.4 Silika jel kurutucunun uygulama kapsamının araştırılması - Karbon dioksit
Şekil 5'te gösterildiği gibi, fenolftalein damlayan sodyum bikarbonat çözeltisi açık kırmızı görünmektedir. Sodyum bikarbonat katı ısıtılır ve elde edilen gaz karışımı, kurutulmuş silika jel küreleri içeren bir kurutma tüpünden geçirilir. Silika jel önemli ölçüde değişmez ve fenolftalein ile damlayan sodyum bikarbonat HCl'yi adsorbe eder. Rengi bozulan silika jeldeki kobalt iyonu, Cl- ile yeşil bir çözelti oluşturur ve yavaş yavaş renksiz hale gelir; bu, küresel kurutma tüpünün ucunda bir CO2 gaz kompleksinin bulunduğunu gösterir. Açık yeşil silika jel, damıtılmış suya yerleştirilir ve rengi bozulan silika jel, yavaş yavaş sarıya döner; bu, silika jel tarafından adsorbe edilen HCl'nin suya desorbe edildiğini gösterir. Beyaz bir çökelti oluşturmak üzere nitrik asitle asitleştirilen gümüş nitrat çözeltisine küçük bir miktar üst sulu çözelti ilave edildi. Geniş bir pH aralığına sahip test kağıdına az miktarda sulu çözelti damlatılır ve test kağıdı kırmızıya dönerek çözeltinin asidik olduğunu gösterir. Yukarıdaki deneyler silika jelinin HCl gazına karşı güçlü bir adsorpsiyona sahip olduğunu göstermektedir. HCl güçlü bir polar moleküldür ve silika jel yüzeyindeki hidroksil grubu da güçlü bir polariteye sahiptir ve ikisi moleküller arası hidrojen bağları oluşturabilir veya nispeten güçlü dipol dipol etkileşimine sahip olabilir, bu da silika yüzeyi arasında nispeten güçlü bir moleküller arası kuvvete neden olur. jel ve HCl molekülleri, dolayısıyla silika jeli güçlü bir HCl adsorpsiyonuna sahiptir. Bu nedenle, silikon kurutma maddesi HCl kaçışını kurutmak için kullanılamaz, yani silika jeli CO2'yi adsorbe etmez veya yalnızca CO2'yi kısmen adsorbe eder.
İNCİR. 5 Silika jel kurutucunun uygulama kapsamının araştırılması — karbondioksit
Silika jelin karbondioksit gazına adsorpsiyonunu kanıtlamak amacıyla aşağıdaki deneylere devam edilmiştir. Küresel kurutma tüpündeki silika jel topu çıkarıldı ve kısım, fenolftalein damlayan sodyum bikarbonat çözeltisine bölündü. Sodyum bikarbonat çözeltisinin rengi giderildi. Bu, silika jelinin karbondioksiti adsorbe ettiğini ve suda çözündükten sonra karbondioksitin sodyum bikarbonat çözeltisine desorbe olduğunu ve sodyum bikarbonat çözeltisinin solmasına neden olduğunu gösterir. Silikon topun geri kalan kısmı kuru bir test tüpünde ısıtılır ve elde edilen gaz, fenolftalein damlayan bir sodyum bikarbonat çözeltisine geçirilir. Yakında sodyum bikarbonat çözeltisi açık kırmızıdan renksiz hale gelir. Bu aynı zamanda silika jelin hala CO2 gazını adsorblama kapasitesine sahip olduğunu göstermektedir. Ancak silika jelin CO2 üzerindeki adsorpsiyon kuvveti HCl, NH3 ve SO2'ninkinden çok daha küçüktür ve Şekil 5'teki deney sırasında karbondioksit yalnızca kısmen adsorbe edilebilir. Silika jelin CO2'yi kısmen adsorbe edebilmesinin nedeni muhtemelen silika jel ve CO2'nin moleküller arası hidrojen bağları oluşturduğu Si - OH… O =C. CO2'nin merkezi karbon atomu sp hibrit olduğundan ve silika jeldeki silikon atomu sp3 hibrit olduğundan, doğrusal CO2 molekülü silika jelin yüzeyi ile iyi işbirliği yapmaz, bu da silika jelin karbon dioksit üzerindeki adsorpsiyon kuvvetinin nispeten düşük olmasına neden olur. küçük.
3. Dört gazın sudaki çözünürlüğü ile silika jel yüzeyindeki adsorpsiyon durumu arasındaki karşılaştırma Yukarıdaki deneysel sonuçlardan, silika jelin amonyak, hidrojen klorür ve kükürt dioksit için güçlü bir adsorpsiyon kapasitesine sahip olduğu görülebilir, ancak karbondioksit için küçük bir adsorpsiyon kuvveti (bkz. Tablo 1). Bu, dört gazın sudaki çözünürlüğüne benzer. Bunun nedeni, su moleküllerinin hidroksi-OH içermesi ve silika jel yüzeyinin de hidroksil açısından zengin olması olabilir, dolayısıyla bu dört gazın sudaki çözünürlüğü, silika jel yüzeyindeki adsorpsiyonuna çok benzer. Amonyak gazı, hidrojen klorür ve kükürt dioksitten oluşan üç gaz arasında kükürt dioksit, suda en düşük çözünürlüğe sahiptir, ancak silika jel tarafından adsorbe edildikten sonra, üç gaz arasında desorpsiyonu en zor olanıdır. Silika jeli amonyak ve hidrojen klorürü adsorbe ettikten sonra solvent su ile desorbe edilebilir. Sülfür dioksit gazının silika jel tarafından adsorbe edilmesinden sonra, su ile desorpsiyonu zordur ve silika jel yüzeyinden desorpsiyon için ısıtılması gerekir. Bu nedenle silika jel yüzeyindeki dört gazın adsorpsiyonunun teorik olarak hesaplanması gerekir.
4 Silika jel ve dört gaz arasındaki etkileşimin teorik hesaplaması, yoğunluk fonksiyonel teorisi (DFT) çerçevesinde kuantumizasyon ORCA yazılımında [4] sunulmaktadır. Farklı gazlar ve silika jel arasındaki etkileşim modlarını ve enerjilerini hesaplamak için DFT D/B3LYP/Def2 TZVP yöntemi kullanıldı. Hesaplamayı basitleştirmek için silika jel katıları tetramerik ortosilikik asit molekülleri ile temsil edilir. Hesaplama sonuçları, H2O, NH3 ve HCl'nin silika jel yüzeyindeki hidroksil grubu ile hidrojen bağları oluşturabildiğini göstermektedir (bkz. Şekil 6a ~ c). Silika jel yüzeyinde nispeten güçlü bağlanma enerjisine sahiptirler (bkz. Tablo 2) ve silika jel yüzeyinde kolayca adsorbe edilirler. NH3 ve HCl'nin bağlanma enerjisi H2O'nunkine benzer olduğundan, suyla yıkama bu iki gaz molekülünün desorpsiyonuna yol açabilir. SO2 molekülünün bağlanma enerjisi yalnızca -17,47 kJ/mol'dür ve bu, yukarıdaki üç molekülden çok daha küçüktür. Ancak deney, SO2 gazının silika jel üzerinde kolayca adsorbe edildiğini ve yıkamanın bile onu desorbe edemediğini ve yalnızca ısıtmanın SO2'nin silika jel yüzeyinden kaçmasını sağlayabileceğini doğruladı. Bu nedenle, SO2'nin silika jel yüzeyinde H2O ile birleşerek H2SO3 fraksiyonlarını oluşturabileceğini tahmin ettik. Şekil 6e, H2SO3 molekülünün silika jel yüzeyindeki hidroksil ve oksijen atomlarıyla aynı anda üç hidrojen bağı oluşturduğunu ve bağlanma enerjisinin -76,63 kJ/mol kadar yüksek olduğunu göstermektedir, bu da SO2'nin neden yüzeyde adsorbe edildiğini açıklamaktadır. silika jelin su ile ayrılması zordur. Polar olmayan CO2, silika jel ile en zayıf bağlanma özelliğine sahiptir ve silika jel tarafından yalnızca kısmen adsorbe edilebilir. H2 CO3 ve silika jelin bağlanma enerjisi de -65,65 kJ/mol'e ulaşmış olmasına rağmen, CO2'nin H2 CO3'e dönüşüm oranı yüksek olmadığından CO2'nin adsorpsiyon hızı da azalmıştır. Yukarıdaki verilerden, gaz molekülünün polaritesinin, silika jeli tarafından adsorbe edilip edilemeyeceğini yargılamak için tek kriter olmadığı ve silika jel yüzeyi ile oluşan hidrojen bağının, stabil adsorpsiyonunun ana nedeni olduğu görülebilir.
Silika jelin bileşimi SiO2 · nH2 O'dur, silika jelin geniş yüzey alanı ve yüzeydeki zengin hidroksil grubu, silika jelin mükemmel performansa sahip toksik olmayan bir kurutucu olarak kullanılabilmesini sağlar ve üretimde ve yaşamda yaygın olarak kullanılır. . Bu yazıda, silika jelin NH3, HCl, SO2, CO2 ve diğer gazları moleküller arası hidrojen bağları yoluyla adsorbe edebildiği deney ve teorik hesaplamanın iki yönünden doğrulanmıştır, dolayısıyla silika jel bu gazları kurutmak için kullanılamaz. Silika jelin bileşimi SiO2 · nH2 O'dur, silika jelin geniş yüzey alanı ve yüzeydeki zengin hidroksil grubu, silika jelin mükemmel performansa sahip toksik olmayan bir kurutucu olarak kullanılabilmesini sağlar ve üretimde ve yaşamda yaygın olarak kullanılır. . Bu yazıda, silika jelin NH3, HCl, SO2, CO2 ve diğer gazları moleküller arası hidrojen bağları yoluyla adsorbe edebildiği deney ve teorik hesaplamanın iki yönünden doğrulanmıştır, dolayısıyla silika jel bu gazları kurutmak için kullanılamaz.
３
İNCİR. DFT yöntemiyle hesaplanan farklı moleküller ve silika jel yüzeyi arasındaki 6 etkileşim modu
Gönderim zamanı: 14 Kasım 2023
