I produktion og levetid kan silicagel bruges til at tørre N2, luft, brint, naturgas [1] og så videre. Efter syre og alkali kan tørremiddel opdeles i: surt tørremiddel, alkalisk tørremiddel og neutralt tørremiddel [2]. Silicagel ser ud til at være en neutral tørretumbler, der ser ud til at tørre NH3, HCl, SO2 osv. Men fra et principielt synspunkt er silicagel sammensat af tredimensionel intermolekylær dehydrering af orthosilicic acid molekyler, hoveddelen er SiO2, og overfladen er rig på hydroxylgrupper (se figur 1). Grunden til at silicagel kan optage vand er, at siliciumhydroxylgruppen på overfladen af silicagel kan danne intermolekylære hydrogenbindinger med vandmolekyler, så den kan adsorbere vand og dermed spille en udtørrende rolle. Den farveskiftende silicagel indeholder koboltioner, og efter adsorptionsvandet når mætning, bliver koboltionerne i den farveskiftende silicagel til hydratiserede koboltioner, så den blå silicagel bliver lyserød. Efter opvarmning af den lyserøde silicagel ved 200 ℃ i en periode, brydes hydrogenbindingen mellem silicagelen og vandmolekylerne, og den misfarvede silicagel bliver blå igen, så strukturdiagrammet for kiselsyren og silicagelen kan genbruges som vist i figur 1. Så da overfladen af silicagel er rig på hydroxylgrupper, kan overfladen af silicagel også danne intermolekylære hydrogenbindinger med NH3 og HCl osv., og der er muligvis ingen måde at fungere som et tørremiddel af NH3 og HCl, og der er ingen relevant rapport i den eksisterende litteratur. Så hvad var resultaterne? Dette emne har lavet følgende eksperimentelle forskning.
FIG. 1 Strukturdiagram af ortho-kiselsyre og silicagel
2 Eksperimentdel
2.1 Udforskning af anvendelsesområdet for silicagel-tørremiddel — Ammoniak Først blev den misfarvede silicagel anbragt i henholdsvis destilleret vand og koncentreret ammoniakvand. Misfarvet silicagel bliver lyserødt i destilleret vand; I koncentreret ammoniak bliver den farveskiftende silikone først rød og langsomt lyseblå. Dette viser, at silicagel kan absorbere NH3 eller NH3 ·H2 O i ammoniak. Som vist i figur 2 blandes fast calciumhydroxid og ammoniumchlorid jævnt og opvarmes i et reagensglas. Den resulterende gas fjernes med alkalikalk og derefter med silicagel. Farven på silicagelen nær indgangsretningen bliver lysere (farven på anvendelsesomfanget for silicagel-tørremidlet i figur 2 undersøges - ammoniak 73, 8. fase af 2023 er stort set den samme som farven på silicagelen, der er gennemblødt i koncentreret ammoniakvand), og pH-testpapiret har ingen tydelig ændring. Dette indikerer, at det producerede NH3 ikke har nået pH-testpapiret, og det er blevet fuldstændigt adsorberet. Stop efter et stykke tid opvarmningen, tag en lille del af silicagelkuglen ud, læg den i det destillerede vand, tilsæt phenolphtalein til vandet, opløsningen bliver rød, hvilket indikerer, at silicagelen har en stærk adsorptionseffekt på NH3, efter at det destillerede vand er frigjort, kommer NH3 ind i det destillerede vand, opløsningen er alkalisk. Derfor, fordi silicagelen har en stærk adsorption for NH3, kan silikonetørringsmidlet ikke tørre NH3.
FIG. 2 Udforskning af anvendelsesområdet for silicagel-tørremiddel — ammoniak
2.2 Udforskning af anvendelsesområdet for silicagel-tørremiddel - hydrogenchlorid brænder først NaCl-faststoffer med alkohollampeflamme for at fjerne det våde vand i de faste komponenter. Efter at prøven er afkølet, tilsættes koncentreret svovlsyre til NaCl-faststoffer for straks at producere et stort antal bobler. Den dannede gas ledes ind i et sfærisk tørrerør indeholdende silicagel, og et vådt pH-testpapir anbringes for enden af tørrerøret. Silicagelen i forenden bliver lysegrøn, og det våde pH-testpapir har ingen tydelig ændring (se figur 3). Dette viser, at den dannede HCl-gas er fuldstændig adsorberet af silicagel og ikke undslipper i luften.
Figur 3 Forskning i anvendelsesområdet for silicagel-tørremiddel — hydrogenchlorid
Silicagelen adsorberede HCI og blev lysegrøn blev anbragt i et reagensglas. Kom den nye blå silicagel i reagensglasset, tilsæt koncentreret saltsyre, silicagel bliver også lysegrøn farve, de to farver er stort set ens. Dette viser silicagelgassen i det sfæriske tørrerør.
2.3 Udforskning af anvendelsesområdet for silicagel-tørremiddel — svovldioxid Blandet koncentreret svovlsyre med fast natriumthiosulfat (se figur 4), NA2s2 O3 +H2 SO4 ==Na2SO4 +SO2 ↑+S↓+H2 O; Den dannede gas ledes gennem tørrerøret, der indeholder den misfarvede silicagel, den misfarvede silicagel bliver lyseblå-grøn, og det blå lakmuspapir for enden af det våde testpapir ændres ikke væsentligt, hvilket indikerer, at den genererede SO2-gas har blevet fuldstændigt adsorberet af silicagelkuglen og kan ikke undslippe.
FIG. 4 Udforskning af anvendelsesområdet for silicagel tørremiddel — svovldioxid
Tag en del af silicagelkuglen af og kom den i destilleret vand. Efter fuld balance tages en lille mængde vanddråbe på det blå lakmuspapir. Testpapiret ændrer sig ikke væsentligt, hvilket indikerer, at destilleret vand ikke er nok til at desorbere SO2 fra silicagelen. Tag en lille del af silicagelkuglen og opvarm den i reagensglasset. Læg vådt blåt lakmuspapir ved mundingen af reagensglasset. Det blå lakmuspapir bliver rødt, hvilket indikerer, at opvarmning får SO2-gas til at desorberes fra silicagelkuglen, hvilket får lakmuspapiret til at blive rødt. Ovenstående forsøg viser, at silicagel også har en stærk adsorptionseffekt på SO2 eller H2SO3, og kan ikke anvendes til tørring af SO2-gas.
2.4 Udforskning af anvendelsesområdet for silicagel tørremiddel — kuldioxid
Som vist i figur 5 fremstår natriumbicarbonatopløsning, der drypper phenolphtalein, lyserødt. Det faste natriumbicarbonat opvarmes, og den resulterende gasblanding ledes gennem et tørrerør indeholdende tørrede silicagelkugler. Silicagelen ændrer sig ikke væsentligt, og natriumbicarbonatet, der drypper med phenolphtalein, adsorberer HCl. Koboltionen i den misfarvede silicagel danner en grøn opløsning med Cl- og bliver gradvist farveløs, hvilket indikerer, at der er et CO2-gaskompleks for enden af det sfæriske tørrerør. Den lysegrønne silicagel anbringes i destilleret vand, og den misfarvede silicagel skifter gradvist til gul, hvilket indikerer, at HCl adsorberet af silicagel er blevet desorberet i vandet. En lille mængde af den øvre vandige opløsning blev tilsat til sølvnitratopløsningen forsuret med salpetersyre til dannelse af et hvidt bundfald. En lille mængde vandig opløsning dryppes på en lang række pH-testpapir, og testpapiret bliver rødt, hvilket indikerer, at opløsningen er sur. Ovenstående forsøg viser, at silicagel har en stærk adsorption til HCl-gas. HCl er et stærkt polært molekyle, og hydroxylgruppen på overfladen af silicagel har også stærk polaritet, og de to kan danne intermolekylære hydrogenbindinger eller have relativt stærk dipol-dipol-interaktion, hvilket resulterer i en relativt stærk intermolekylær kraft mellem overfladen af silica gel- og HCl-molekyler, så silicagel har en stærk adsorption af HCl. Derfor kan silikonetørringsmiddel ikke bruges til at tørre HCl-udslip, det vil sige, at silicagelen ikke adsorberer CO2 eller kun delvist adsorberer CO2.
FIG. 5 Udforskning af anvendelsesområdet for silicagel-tørremiddel - kuldioxid
For at bevise adsorptionen af silicagel til kuldioxidgas fortsættes følgende forsøg. Silicagelkuglen i det sfæriske tørrerør blev fjernet, og delen blev opdelt i natriumbicarbonatopløsning dryppende phenolphtalein. Natriumbicarbonatopløsningen blev affarvet. Dette viser, at silicagel adsorberer kuldioxid, og efter at være opløseligt i vand, desorberer kuldioxid til natriumbicarbonatopløsning, hvilket får natriumbicarbonatopløsningen til at falme. Den resterende del af silikonekuglen opvarmes i et tørt reagensglas, og den resulterende gas ledes ind i en opløsning af natriumbicarbonat, der drypper med phenolphtalein. Snart ændrer natriumbicarbonatopløsningen sig fra lyserød til farveløs. Dette viser også, at silicagel stadig har adsorptionskapacitet for CO2-gas. Silicagelens adsorptionskraft på CO2 er dog meget mindre end HCl, NH3 og SO2, og kuldioxid kan kun delvist adsorberes under forsøget i figur 5. Grunden til at silicagel delvist kan adsorbere CO2 er sandsynligvis at silicagel og CO2 danner intermolekylære hydrogenbindinger Si — OH… O =C. Fordi det centrale kulstofatom i CO2 er sp-hybrid, og siliciumatomet i silicagel er sp3-hybrid, samarbejder det lineære CO2-molekyle ikke godt med overfladen af silicagel, hvilket resulterer i, at silicagelens adsorptionskraft på kuldioxid er relativt lille.
3.Sammenligning mellem de fire gassers opløselighed i vand og adsorptionsstatus på overfladen af silicagel Ud fra ovenstående forsøgsresultater kan det ses, at silicagel har en stærk adsorptionskapacitet for ammoniak, hydrogenchlorid og svovldioxid, men en lille adsorptionskraft for kuldioxid (se tabel 1). Dette svarer til opløseligheden af de fire gasser i vand. Dette kan skyldes, at vandmolekyler indeholder hydroxy-OH, og overfladen af silicagel også er rig på hydroxyl, så opløseligheden af disse fire gasser i vand er meget lig dens adsorption på overfladen af silicagel. Blandt de tre gasser af ammoniakgas, hydrogenchlorid og svovldioxid, har svovldioxid den mindste opløselighed i vand, men efter at være blevet adsorberet af silicagel, er den sværest at desorptionere blandt de tre gasser. Efter at silicagelen har adsorberet ammoniak og hydrogenchlorid, kan den desorberes med opløsningsmiddelvand. Efter at svovldioxidgassen er adsorberet af silicagel, er den vanskelig at desorptionere med vand og skal opvarmes til desorption fra overfladen af silicagel. Derfor skal adsorptionen af fire gasser på overfladen af silicagel beregnes teoretisk.
4 Teoretisk beregning af interaktionen mellem silicagel og fire gasser præsenteres i kvantumiseringssoftwaren ORCA [4] under rammen af densitetsfunktionsteori (DFT). DFT D/B3LYP/Def2 TZVP-metoden blev brugt til at beregne interaktionstilstande og energier mellem forskellige gasser og silicagel. For at forenkle beregningen er silicagel faste stoffer repræsenteret af tetramere orthosilicic acid molekyler. Beregningsresultaterne viser, at H2O, NH3 og HCl alle kan danne hydrogenbindinger med hydroxylgruppen på overfladen af silicagel (se figur 6a ~ c). De har relativt stærk bindingsenergi på silicageloverfladen (se tabel 2) og adsorberes let på silicageloverfladen. Da bindingsenergien af NH3 og HCl svarer til den for H2O, kan vandvask føre til desorption af disse to gasmolekyler. For SO2-molekylet er dets bindingsenergi kun -17,47 kJ/mol, hvilket er meget mindre end de ovennævnte tre molekyler. Forsøget bekræftede dog, at SO2-gas let adsorberes på silicagelen, og selv vask kan ikke desorbere den, og kun opvarmning kan få SO2 til at undslippe fra silicagelens overflade. Derfor gættede vi på, at SO2 sandsynligvis vil kombineres med H2O på overfladen af silicagel for at danne H2SO3-fraktioner. Figur 6e viser, at H2SO3-molekylet danner tre hydrogenbindinger med hydroxyl- og oxygenatomerne på overfladen af silicagelen på samme tid, og bindingsenergien er så høj som -76,63 kJ/mol, hvilket forklarer, hvorfor SO2 adsorberes på silicagelen er svær at undgå med vand. Ikke-polær CO2 har den svageste bindingsevne med silicagel, og kan kun delvist adsorberes af silicagel. Selvom bindingsenergien af H2CO3 og silicagel også nåede -65,65 kJ/mol, var omdannelseshastigheden af CO2 til H2CO3 ikke høj, så adsorptionshastigheden af CO2 blev også reduceret. Det kan ses fra ovenstående data, at polariteten af gasmolekylet ikke er det eneste kriterium til at bedømme, om det kan adsorberes af silicagel, og hydrogenbindingen dannet med silicageloverfladen er hovedårsagen til dens stabile adsorption.
Sammensætningen af silicagel er SiO2 ·nH2 O, det enorme overfladeareal af silicagel og den rige hydroxylgruppe på overfladen gør, at silicagel kan bruges som en ikke-giftig tørretumbler med fremragende ydeevne og er meget udbredt i produktion og liv . I dette papir bekræftes det fra to aspekter af eksperimentet og teoretiske beregninger, at silicagel kan adsorbere NH3, HCl, SO2, CO2 og andre gasser gennem intermolekylære hydrogenbindinger, så silicagel kan ikke bruges til at tørre disse gasser. Sammensætningen af silicagel er SiO2 ·nH2 O, det enorme overfladeareal af silicagel og den rige hydroxylgruppe på overfladen gør, at silicagel kan bruges som en ikke-giftig tørretumbler med fremragende ydeevne og er meget udbredt i produktion og liv . I dette papir bekræftes det fra to aspekter af eksperimentet og teoretiske beregninger, at silicagel kan adsorbere NH3, HCl, SO2, CO2 og andre gasser gennem intermolekylære hydrogenbindinger, så silicagel kan ikke bruges til at tørre disse gasser.
３
FIG. 6 Interaktionstilstande mellem forskellige molekyler og silicageloverflade beregnet ved DFT-metoden
Indlægstid: 14-november 2023
