I produktion och liv kan silikagel användas för att torka N2, luft, väte, naturgas [1] och så vidare. Enligt syra och alkali kan torkmedel delas in i: surt torkmedel, alkaliskt torkmedel och neutralt torkmedel [2]. Kiselgel verkar vara en neutral torktumlare som verkar torka NH3, HCl, SO2, etc. Men ur principsynpunkt är kiselgel sammansatt av tredimensionell intermolekylär uttorkning av ortokiselsyramolekyler, huvudkroppen är SiO2, och ytan är rik på hydroxylgrupper (se figur 1). Anledningen till att kiselgel kan absorbera vatten är att kiselhydroxylgruppen på ytan av kiselgel kan bilda intermolekylära vätebindningar med vattenmolekyler, så den kan adsorbera vatten och därmed spela en uttorkande roll. Den färgskiftande kiselgelen innehåller koboltjoner, och efter att adsorptionsvattnet nått mättnad blir koboltjonerna i den färgskiftande kiselgelen hydratiserade koboltjoner, så att den blå kiselgelen blir rosa. Efter att ha värmt upp den rosa kiselgelen vid 200 ℃ under en tid bryts vätebindningen mellan kiselgelen och vattenmolekylerna, och den missfärgade kiselgelen blir blå igen, så att strukturdiagrammet för kiselsyran och kiselgelen kan återanvändas som visas i figur 1. Så eftersom ytan på kiselgel är rik på hydroxylgrupper, kan ytan på kiselgel också bilda intermolekylära vätebindningar med NH3 och HCl, etc., och det kanske inte finns något sätt att fungera som ett torkmedel av NH3 och HCl, och det finns ingen relevant rapport i den befintliga litteraturen. Så vad blev resultatet? Detta ämne har gjort följande experimentella forskning.
FIKON. 1 Strukturdiagram för orto-kiselsyra och kiselgel
2 Experimentdel
2.1 Utforskning av tillämpningsområdet för silikageltorkmedel — Ammoniak Först placerades den missfärgade silikagelen i destillerat vatten respektive koncentrerat ammoniakvatten. Missfärgad kiselgel blir rosa i destillerat vatten; I koncentrerad ammoniak blir den färgskiftande silikonen först röd och långsamt ljusblå. Detta visar att kiselgel kan absorbera NH3 eller NH3·H2O i ammoniak. Som visas i figur 2 blandas fast kalciumhydroxid och ammoniumklorid jämnt och upphettas i ett provrör. Den resulterande gasen avlägsnas med alkalikalk och sedan med silikagel. Färgen på kiselgelen nära ingångsriktningen blir ljusare (färgen på applikationsomfånget för kiselgeltorkmedlet i figur 2 undersöks — ammoniak 73, den åttonde fasen av 2023 är i princip densamma som färgen på den blötlagda kiselgelen i koncentrerat ammoniakvatten), och pH-testpapperet har ingen uppenbar förändring. Detta indikerar att den producerade NH3 inte har nått pH-testpapperet och att den har adsorberats fullständigt. Efter en tid, stoppa uppvärmningen, ta ut en liten del av kiselgelbollen, lägg den i det destillerade vattnet, tillsätt fenolftalein till vattnet, lösningen blir röd, vilket indikerar att kiselgelen har en stark adsorptionseffekt på NH3, efter det att det destillerade vattnet är lossat kommer NH3 in i det destillerade vattnet, lösningen är alkalisk. Därför, eftersom silikagelen har en stark adsorption för NH3, kan silikontorkmedlet inte torka NH3.
FIKON. 2 Utforskning av tillämpningsområdet för silikageltorkmedel — ammoniak
2.2 Utforskning av tillämpningsområdet för torkmedel av silikagel — väteklorid bränner först NaCl-fasta ämnen med alkohollampslåga för att avlägsna det våta vattnet i de fasta komponenterna. Efter att provet kylts tillsätts koncentrerad svavelsyra till fast NaCl för att omedelbart producera ett stort antal bubblor. Den alstrade gasen leds in i ett sfäriskt torkrör innehållande silikagel, och ett vått pH-testpapper placeras i slutet av torkröret. Kiselgelen på framsidan blir ljusgrön och det våta pH-testpapperet har ingen tydlig förändring (se figur 3). Detta visar att den genererade HCl-gasen är fullständigt adsorberad av kiselgel och inte försvinner ut i luften.
Figur 3 Forskning om tillämpningsområdet för torkmedel av silikagel — väteklorid
Kiselgelen adsorberade HCl och blev ljusgrön placerades i ett provrör. Lägg den nya blå kiselgelen i provröret, tillsätt koncentrerad saltsyra, kiselgel blir också ljusgrön färg, de två färgerna är i princip lika. Detta visar silikagelgasen i det sfäriska torkröret.
2.3 Utforskning av tillämpningsområdet för torkmedel av silikagel — svaveldioxid Blandad koncentrerad svavelsyra med fast natriumtiosulfat (se figur 4), NA2s2 O3 +H2 SO4 ==Na2 SO4 +SO2 ↑+S↓+H2 O; Den genererade gasen passerar genom torkröret som innehåller den missfärgade kiselgelen, den missfärgade kiselgelen blir ljusblågrön och det blå lackmuspappret i slutet av det våta testpapperet förändras inte nämnvärt, vilket indikerar att den genererade SO2-gasen har har helt adsorberats av silikagelkulan och kan inte fly.
FIKON. 4 Utforskning av tillämpningsområdet för silikageltorkmedel — svaveldioxid
Ta av en del av silikagelbollen och lägg den i destillerat vatten. Efter full balans, ta en liten mängd vattendroppe på det blå lackmuspappret. Testpapperet förändras inte nämnvärt, vilket indikerar att destillerat vatten inte är tillräckligt för att desorberas SO2 från silikagelen. Ta en liten del av kiselgelbollen och värm den i provröret. Sätt vått blått lackmuspapper vid provrörets mynning. Det blå lackmuspappret blir rött, vilket indikerar att uppvärmning gör att SO2-gas desorberas från silikagelkulan, vilket gör att lackmuspappret blir rött. Ovanstående experiment visar att kiselgel också har en stark adsorptionseffekt på SO2 eller H2SO3 och kan inte användas för att torka SO2-gas.
2.4 Utforskning av tillämpningsområdet för torkmedel av silikagel – koldioxid
Såsom visas i figur 5 verkar natriumbikarbonatlösning som droppar fenolftalein ljusröd. Det fasta natriumbikarbonatet upphettas och den resulterande gasblandningen passeras genom ett torkrör innehållande torkade kiselgelkulor. Kiselgelen förändras inte nämnvärt och natriumbikarbonatet som droppar med fenolftalein adsorberar HCl. Koboltjonen i den missfärgade kiselgelen bildar en grön lösning med Cl- och blir gradvis färglös, vilket indikerar att det finns ett CO2-gaskomplex i änden av det sfäriska torkröret. Den ljusgröna kiselgelen placeras i destillerat vatten och den missfärgade kiselgelen ändras gradvis till gul, vilket indikerar att HCl som adsorberats av kiselgel har desorberats i vattnet. En liten mängd av den övre vattenlösningen sattes till silvernitratlösningen surgjord med salpetersyra för att bilda en vit fällning. En liten mängd vattenlösning tappas på ett brett spektrum av pH-testpapper och testpapperet blir rött, vilket indikerar att lösningen är sur. Ovanstående experiment visar att silikagel har en stark adsorption till HCl-gas. HCl är en starkt polär molekyl, och hydroxylgruppen på ytan av silikagel har också stark polaritet, och de två kan bilda intermolekylära vätebindningar eller ha relativt stark dipol-dipolinteraktion, vilket resulterar i en relativt stark intermolekylär kraft mellan ytan av kiseldioxid gel och HCl-molekyler, så kiselgel har en stark adsorption av HCl. Därför kan silikontorkmedel inte användas för att torka ut HCl, det vill säga att kiselgelen inte adsorberar CO2 eller endast delvis adsorberar CO2.
FIKON. 5 Utforskning av tillämpningsområdet för silikageltorkmedel — koldioxid
För att bevisa adsorptionen av silikagel till koldioxidgas, fortsätter följande experiment. Kiselgelkulan i det sfäriska torkröret avlägsnades och delen delades upp i natriumbikarbonatlösning med droppande fenolftalein. Natriumbikarbonatlösningen avfärgades. Detta visar att kiselgel adsorberar koldioxid, och efter löslighet i vatten desorberas koldioxid till natriumbikarbonatlösning, vilket gör att natriumbikarbonatlösning bleknar. Den återstående delen av silikonkulan upphettas i ett torrt provrör och den resulterande gasen leds in i en lösning av natriumbikarbonat som droppar med fenolftalein. Snart ändras natriumbikarbonatlösningen från ljusröd till färglös. Detta visar också att kiselgel fortfarande har adsorptionsförmåga för CO2-gas. Emellertid är adsorptionskraften för kiselgel på CO2 mycket mindre än den för HCl, NH3 och SO2, och koldioxid kan endast delvis adsorberas under experimentet i figur 5. Anledningen till att kiselgel delvis kan adsorbera CO2 är sannolikt att kiselgel och CO2 bildar intermolekylära vätebindningar Si — OH... O =C. Eftersom den centrala kolatomen i CO2 är sp-hybrid, och kiselatomen i silikagel är sp3-hybrid, samarbetar den linjära CO2-molekylen inte bra med ytan av silikagel, vilket resulterar i att kiselgelens adsorptionskraft på koldioxid är relativt små.
3.Jämförelse mellan lösligheten av de fyra gaserna i vatten och adsorptionsstatus på ytan av kiselgel. Av ovanstående experimentella resultat kan man se att kiselgel har en stark adsorptionsförmåga för ammoniak, väteklorid och svaveldioxid, men en liten adsorptionskraft för koldioxid (se tabell 1). Detta liknar lösligheten av de fyra gaserna i vatten. Detta kan bero på att vattenmolekyler innehåller hydroxi-OH, och ytan av kiselgel är också rik på hydroxyl, så lösligheten av dessa fyra gaser i vatten är mycket lik dess adsorption på ytan av kiselgel. Bland de tre gaserna ammoniakgas, väteklorid och svaveldioxid, har svaveldioxid den minsta lösligheten i vatten, men efter att ha adsorberats av silikagel är den svårast att desorptionera bland de tre gaserna. Efter att kiselgelen adsorberat ammoniak och väteklorid kan den desorberas med lösningsmedelsvatten. Efter att svaveldioxidgasen har adsorberats av kiselgel är den svår att desorptionera med vatten och måste värmas till desorption från ytan av kiselgel. Därför måste adsorptionen av fyra gaser på ytan av silikagel beräknas teoretiskt.
4 Teoretisk beräkning av interaktionen mellan kiselgel och fyra gaser presenteras i kvantumiseringsprogrammet ORCA [4] inom ramen för densitetsfunktionella teorin (DFT). Metoden DFT D/B3LYP/Def2 TZVP användes för att beräkna interaktionssätten och energierna mellan olika gaser och kiselgel. För att förenkla beräkningen representeras fasta kiselgelämnen av tetramera ortokiselsyramolekyler. Beräkningsresultaten visar att H2O, NH3 och HCl alla kan bilda vätebindningar med hydroxylgruppen på ytan av silikagel (se figur 6a ~ c). De har relativt stark bindningsenergi på kiselgelytan (se tabell 2) och adsorberas lätt på kiselgelytan. Eftersom bindningsenergin för NH3 och HCl liknar den för H2O, kan vattentvättning leda till desorption av dessa två gasmolekyler. För SO2-molekylen är dess bindningsenergi endast -17,47 kJ/mol, vilket är mycket mindre än ovanstående tre molekyler. Experimentet bekräftade dock att SO2-gas lätt adsorberas på silikagelen, och även tvättning kan inte desorbera den, och endast uppvärmning kan få SO2 att fly från ytan av silikagelen. Därför gissade vi att SO2 sannolikt kommer att kombineras med H2O på ytan av silikagel för att bilda H2SO3-fraktioner. Figur 6e visar att H2SO3-molekylen bildar tre vätebindningar med hydroxyl- och syreatomerna på ytan av silikagelen samtidigt, och bindningsenergin är så hög som -76,63 kJ/mol, vilket förklarar varför SO2 adsorberades på kiselgelen är svår att undvika med vatten. Icke-polär CO2 har den svagaste bindningsförmågan med silikagel, och kan endast delvis adsorberas av silikagel. Även om bindningsenergin för H2CO3 och silikagel också nådde -65,65 kJ/mol, var omvandlingshastigheten av CO2 till H2CO3 inte hög, så adsorptionshastigheten för CO2 reducerades också. Det kan ses från ovanstående data att gasmolekylens polaritet inte är det enda kriteriet för att bedöma om den kan adsorberas av silikagel, och vätebindningen som bildas med silikagelytan är huvudorsaken till dess stabila adsorption.
Sammansättningen av kiselgel är SiO2 ·nH2 O, den enorma ytarean av kiselgel och den rika hydroxylgruppen på ytan gör att kiselgel kan användas som en giftfri torktumlare med utmärkt prestanda och används ofta i produktion och liv . I detta dokument bekräftas det från två aspekter av experiment och teoretiska beräkningar att silikagel kan adsorbera NH3, HCl, SO2, CO2 och andra gaser genom intermolekylära vätebindningar, så silikagel kan inte användas för att torka dessa gaser. Sammansättningen av kiselgel är SiO2 ·nH2 O, den enorma ytarean av kiselgel och den rika hydroxylgruppen på ytan gör att kiselgel kan användas som en giftfri torktumlare med utmärkt prestanda och används ofta i produktion och liv . I detta dokument bekräftas det från två aspekter av experiment och teoretiska beräkningar att silikagel kan adsorbera NH3, HCl, SO2, CO2 och andra gaser genom intermolekylära vätebindningar, så silikagel kan inte användas för att torka dessa gaser.
３
FIKON. 6 Interaktionslägen mellan olika molekyler och kiselgelyta beräknade med DFT-metoden
Posttid: 2023-nov-14
