În producție și viață, silicagelul poate fi folosit pentru a usca N2, aer, hidrogen, gaz natural [1] și așa mai departe.În funcție de acid și alcalin, desicant poate fi împărțit în: desicant acid, desicant alcalin și desicant neutru [2].Silicagelul pare a fi un uscător neutru care pare să usuce NH3, HCl, SO2 etc. Cu toate acestea, din punct de vedere al principiului, silicagelul este compus din deshidratarea intermoleculară tridimensională a moleculelor de acid ortosilic, corpul principal este SiO2, iar suprafața este bogată în grupări hidroxil (vezi Figura 1).Motivul pentru care silicagelul poate absorbi apa este că gruparea hidroxil de siliciu de pe suprafața gelului de silice poate forma legături de hidrogen intermoleculare cu moleculele de apă, astfel încât poate adsorbi apa și astfel joacă un rol de uscare.Gelul de silice care schimbă culoarea conține ioni de cobalt, iar după ce apa de adsorbție ajunge la saturație, ionii de cobalt din gelul de silice care schimbă culoarea devin ioni de cobalt hidratați, astfel încât gelul de silice albastru devine roz.După încălzirea gelului de silice roz la 200 ℃ pentru o perioadă de timp, legătura de hidrogen dintre gelul de silice și moleculele de apă se rupe, iar gelul de siliciu decolorat va deveni din nou albastru, astfel încât diagrama structurii acidului silicic și a gelului de silice poate fi reutilizat așa cum se arată în Figura 1. Deci, deoarece suprafața gelului de silice este bogată în grupări hidroxil, suprafața gelului de silice poate forma, de asemenea, legături de hidrogen intermoleculare cu NH3 și HCl etc. și este posibil să nu existe nicio modalitate de a acționa ca un desicant de NH3 și HCl și nu există niciun raport relevant în literatura existentă.Deci care au fost rezultatele?Acest subiect a făcut următoarele cercetări experimentale.
SMOCHIN.1 Diagrama de structură a acidului orto-silicic și a gelului de silice
2 Partea Experimentului
2.1 Explorarea domeniului de aplicare a desicantului de silicagel – amoniac În primul rând, gelul de silice decolorat a fost plasat în apă distilată și, respectiv, în apă concentrată cu amoniac.Gelul de silice decolorat devine roz în apă distilată;În amoniacul concentrat, siliconul care schimbă culoarea devine mai întâi roșu și încet devine albastru deschis.Aceasta arată că silicagelul poate absorbi NH3 sau NH3 ·H2 O în amoniac.După cum se arată în Figura 2, hidroxidul de calciu solid și clorura de amoniu sunt amestecate uniform și încălzite într-o eprubetă.Gazul rezultat este îndepărtat prin var alcalin și apoi prin silicagel.Culoarea gelului de silice din apropierea direcției de intrare devine mai deschisă (culoarea domeniului de aplicare a desicantului cu gel de silice din Figura 2 este explorată - amoniac 73, a 8-a fază a anului 2023 este practic aceeași cu culoarea gelului de silice înmuiat în apă concentrată cu amoniac), iar hârtia de testare a pH-ului nu are nicio modificare evidentă.Aceasta indică faptul că NH3 produs nu a atins hârtia de test pentru pH și a fost complet adsorbit.După o perioadă de timp, opriți încălzirea, scoateți o mică parte din bila de silicagel, puneți-o în apă distilată, adăugați fenolftaleină în apă, soluția devine roșie, indicând că silicagelul are un efect puternic de adsorbție asupra NH3, după ce apa distilată este detașată, NH3 intră în apa distilată, soluția este alcalină.Prin urmare, deoarece silicagelul are o adsorbție puternică pentru NH3, agentul de uscare siliconic nu poate usca NH3.
SMOCHIN.2 Explorarea domeniului de aplicare a desicantului cu silicagel - amoniac
2.2 Explorarea domeniului de aplicare a desicantului cu silicagel — clorura de hidrogen arde mai întâi solidele NaCl cu flacăra lampii cu alcool pentru a îndepărta apa umedă din componentele solide.După ce proba este răcită, se adaugă acid sulfuric concentrat la solidele de NaCl pentru a produce imediat un număr mare de bule.Gazul generat este trecut într-un tub de uscare sferic care conține gel de silice și o hârtie umedă de testare a pH-ului este plasată la capătul tubului de uscare.Gelul de silice de la capătul din față devine verde deschis, iar hârtia de testare a pH-ului umedă nu are nicio modificare evidentă (vezi Figura 3).Aceasta arată că gazul HCl generat este complet adsorbit de silicagel și nu scapă în aer.
Figura 3 Cercetări privind domeniul de aplicare a desicantului de silicagel — clorură de hidrogen
Gelul de silice a absorbit HCI și a devenit verde deschis a fost plasat într-o eprubetă.Puneți noul silicagel albastru în eprubetă, adăugați acid clorhidric concentrat, silicagelul devine și o culoare verde deschis, cele două culori sunt practic aceleași.Aceasta arată gazul de silicagel din tubul de uscare sferic.
2.3 Explorarea domeniului de aplicare al desicantului de silicagel — dioxid de sulf. Acid sulfuric concentrat amestecat cu tiosulfat de sodiu solid (vezi Figura 4), NA2s2 O3 +H2SO4 ==Na2SO4 +SO2 ↑+S↓+H2O;Gazul generat este trecut prin tubul de uscare care conține silicagel decolorat, silicagelul decolorat devine albastru-verde deschis, iar hârtia de turnesol albastră de la sfârșitul hârtiei de testare umedă nu se modifică semnificativ, indicând faptul că gazul SO2 generat are a fost complet adsorbit de bila de gel de silice și nu poate scăpa.
SMOCHIN.4 Explorarea domeniului de aplicare a desicantului cu silicagel - dioxid de sulf
Scoateți o parte din bila de silicagel și puneți-o în apă distilată.După echilibrarea completă, luați o cantitate mică de picătură de apă pe hârtia de turnesol albastră.Hârtia de testare nu se modifică semnificativ, ceea ce indică faptul că apa distilată nu este suficientă pentru a desorbi SO2 din silicagel.Luați o mică parte din bila de gel de silice și încălziți-o în eprubetă.Puneți hârtie de turnesol albastră umedă la gura eprubetei.Hârtia de turnesol albastră devine roșie, indicând faptul că încălzirea face ca gazul SO2 să fie desorbit din bila de gel de silice, făcând astfel hârtia de turnesol să devină roșie.Experimentele de mai sus arată că silicagelul are, de asemenea, un efect puternic de adsorbție asupra SO2 sau H2SO3 și nu poate fi utilizat pentru uscarea gazului SO2.
2.4 Explorarea domeniului de aplicare a desicantului cu silicagel — Dioxid de carbon
După cum se arată în Figura 5, soluția de bicarbonat de sodiu care picură fenolftaleină apare roșu deschis.Solidul de bicarbonat de sodiu este încălzit și amestecul de gaz rezultat este trecut printr-un tub de uscare care conține sfere de silicagel uscate.Silicagelul nu se modifică semnificativ, iar bicarbonatul de sodiu care picura cu fenolftaleină adsorb HCI.Ionul de cobalt din silicagelul decolorat formează o soluție verde cu Cl- și devine treptat incolor, indicând faptul că există un complex gazos CO2 la capătul tubului de uscare sferic.Silicagelul de culoare verde deschis este plasat în apă distilată, iar gelul de silice decolorat se schimbă treptat în galben, indicând că HCl adsorbit de silicagel a fost desorbit în apă.O cantitate mică din soluția apoasă superioară a fost adăugată la soluția de azotat de argint acidulată cu acid azotic pentru a forma un precipitat alb.O cantitate mică de soluție apoasă este picurată pe o gamă largă de hârtie de test pentru pH, iar hârtia de test devine roșie, indicând că soluția este acidă.Experimentele de mai sus arată că silicagelul are o adsorbție puternică la HCI gazos.HCl este o moleculă puternic polară, iar gruparea hidroxil de pe suprafața gelului de silice are, de asemenea, o polaritate puternică, iar cele două pot forma legături de hidrogen intermoleculare sau pot avea o interacțiune dipol dipol relativ puternică, rezultând o forță intermoleculară relativ puternică între suprafața silicei. gel și molecule de HCl, astfel încât gelul de silice are o puternică adsorbție de HCl.Prin urmare, agentul de uscare siliconic nu poate fi utilizat pentru a usca scăparea de HCl, adică silicagelul nu absoarbe CO2 sau doar parțial absoarbe CO2.
SMOCHIN.5 Explorarea domeniului de aplicare a desicantului cu silicagel — dioxid de carbon
Pentru a demonstra adsorbția gelului de silice la dioxid de carbon gazos, se continuă următoarele experimente.Bila de silicagel din tubul sferic de uscare a fost îndepărtată, iar piesa a fost împărțită în soluție de bicarbonat de sodiu picurând fenolftaleină.Soluția de bicarbonat de sodiu a fost decolorată.Acest lucru arată că silicagelul adsorb dioxidul de carbon și, după ce este solubil în apă, dioxidul de carbon se desorbește în soluție de bicarbonat de sodiu, făcând soluția de bicarbonat de sodiu să se estompeze.Partea rămasă a bilei de silicon este încălzită într-o eprubetă uscată, iar gazul rezultat este trecut într-o soluție de bicarbonat de sodiu care picura cu fenolftaleină.În curând, soluția de bicarbonat de sodiu se schimbă de la roșu deschis la incolor.Acest lucru arată, de asemenea, că silicagelul are încă capacitate de adsorbție pentru CO2 gazos.Cu toate acestea, forța de adsorbție a gelului de silice asupra CO2 este mult mai mică decât cea a HCl, NH3 și SO2, iar dioxidul de carbon poate fi adsorbit doar parțial în timpul experimentului din figura 5. Motivul pentru care gelul de silice poate adsorbi parțial CO2 este probabil să fie că silicagel și CO2 formează legături de hidrogen intermoleculare Si — OH… O =C.Deoarece atomul de carbon central al CO2 este hibrid sp, iar atomul de siliciu din silicagel este hibrid sp3, molecula liniară de CO2 nu cooperează bine cu suprafața gelului de silice, ceea ce duce la forța de adsorbție a gelului de silice pe dioxid de carbon este relativ mic.
3. Comparație între solubilitatea celor patru gaze în apă și starea de adsorbție pe suprafața gelului de silice Din rezultatele experimentale de mai sus, se poate observa că gelul de silice are o capacitate puternică de adsorbție pentru amoniac, clorură de hidrogen și dioxid de sulf, dar o forță mică de adsorbție a dioxidului de carbon (vezi Tabelul 1).Aceasta este similară cu solubilitatea celor patru gaze în apă.Acest lucru se poate datora faptului că moleculele de apă conțin hidroxi-OH, iar suprafața gelului de silice este, de asemenea, bogată în hidroxil, astfel încât solubilitatea acestor patru gaze în apă este foarte asemănătoare cu adsorbția pe suprafața gelului de silice.Dintre cele trei gaze de amoniac gazos, clorură de hidrogen și dioxid de sulf, dioxidul de sulf are cea mai mică solubilitate în apă, dar după ce a fost adsorbit de silicagel, este cel mai dificil de desorbit dintre cele trei gaze.După ce silicagelul absoarbe amoniacul și acidul clorhidric, acesta poate fi desorbit cu apă cu solvent.După ce gazul de dioxid de sulf este adsorbit de silicagel, este dificil de desorbit cu apă și trebuie încălzit până la desorbție de pe suprafața gelului de silice.Prin urmare, adsorbția a patru gaze pe suprafața gelului de silice trebuie calculată teoretic.
4 Calculul teoretic al interacțiunii dintre silicagel și patru gaze este prezentat în software-ul de cuantizare ORCA [4] în cadrul teoriei funcționale a densității (DFT).Metoda DFT D/B3LYP/Def2 TZVP a fost utilizată pentru a calcula modurile de interacțiune și energiile dintre diferite gaze și silicagel.Pentru a simplifica calculul, solidele de silicagel sunt reprezentate de molecule de acid ortosilicic tetrameric.Rezultatele calculului arată că H2O, NH3 și HCl pot forma legături de hidrogen cu gruparea hidroxil de pe suprafața gelului de silice (vezi Figura 6a ~ c).Ele au energie de legare relativ puternică pe suprafața gelului de silice (vezi Tabelul 2) și sunt ușor de adsorbit pe suprafața gelului de silice.Deoarece energia de legare a NH3 și HCl este similară cu cea a H2O, spălarea cu apă poate duce la desorbția acestor două molecule de gaz.Pentru molecula de SO2, energia sa de legare este de numai -17,47 kJ/mol, ceea ce este mult mai mic decât cele trei molecule de mai sus.Cu toate acestea, experimentul a confirmat că gazul SO2 este ușor adsorbit pe silicagel și nici măcar spălarea nu îl poate desorbi și numai încălzirea poate face ca SO2 să scape de pe suprafața gelului de silice.Prin urmare, am ghicit că SO2 este probabil să se combine cu H2O pe suprafața gelului de silice pentru a forma fracții H2SO3.Figura 6e arată că molecula de H2SO3 formează trei legături de hidrogen cu atomii de hidroxil și oxigen de pe suprafața gelului de silice în același timp, iar energia de legare este la -76,63 kJ/mol, ceea ce explică de ce SO2 este adsorbit pe gelul de silice este greu de eludat cu apă.CO2 nepolar are cea mai slabă capacitate de legare cu silicagel și poate fi doar parțial adsorbit de silicagel.Deși energia de legare a H2CO3 și a gelului de silice a atins, de asemenea, -65,65 kJ/mol, rata de conversie a CO2 în H2CO3 nu a fost ridicată, astfel încât rata de adsorbție a CO2 a fost, de asemenea, redusă.Din datele de mai sus se poate observa că polaritatea moleculei de gaz nu este singurul criteriu pentru a judeca dacă poate fi adsorbită de silicagel, iar legătura de hidrogen formată cu suprafața gelului de silice este principalul motiv pentru adsorbția sa stabilă.
Compoziția gelului de silice este SiO2 · nH2 O, suprafața imensă a gelului de silice și gruparea hidroxil bogată de pe suprafață fac ca silicagelul să poată fi utilizat ca uscător netoxic, cu performanțe excelente și este utilizat pe scară largă în producție și viață. .În această lucrare, se confirmă din două aspecte ale experimentului și calculului teoretic că silicagelul poate adsorbi NH3, HCl, SO2, CO2 și alte gaze prin legături de hidrogen intermoleculare, astfel încât silicagelul nu poate fi utilizat pentru uscarea acestor gaze.Compoziția gelului de silice este SiO2 · nH2 O, suprafața imensă a gelului de silice și gruparea hidroxil bogată de pe suprafață fac ca silicagelul să poată fi utilizat ca uscător netoxic, cu performanțe excelente și este utilizat pe scară largă în producție și viață. .În această lucrare, se confirmă din două aspecte ale experimentului și calculului teoretic că silicagelul poate adsorbi NH3, HCl, SO2, CO2 și alte gaze prin legături de hidrogen intermoleculare, astfel încât silicagelul nu poate fi utilizat pentru uscarea acestor gaze.
３
SMOCHIN.6 moduri de interacțiune între diferite molecule și suprafața gelului de silice calculate prin metoda DFT
Ora postării: 14-nov-2023
