Tijdens de productie en levensduur kan silicagel worden gebruikt om N2, lucht, waterstof, aardgas [1] enzovoort te drogen. Afhankelijk van zuur en alkali kan droogmiddel worden onderverdeeld in: zuur droogmiddel, alkalisch droogmiddel en neutraal droogmiddel [2]. Silicagel lijkt een neutrale droger te zijn die NH3, HCl, SO2, enz. Lijkt te drogen. Vanuit principe gezien bestaat silicagel echter uit driedimensionale intermoleculaire dehydratie van orthokiezelzuurmoleculen, het hoofdbestanddeel is SiO2. en het oppervlak is rijk aan hydroxylgroepen (zie figuur 1). De reden waarom silicagel water kan absorberen is dat de siliciumhydroxylgroep op het oppervlak van silicagel intermoleculaire waterstofbruggen kan vormen met watermoleculen, zodat deze water kan adsorberen en zo een uitdrogende rol kan spelen. De kleurveranderende silicagel bevat kobaltionen en nadat het adsorptiewater verzadiging heeft bereikt, worden de kobaltionen in de kleurveranderende silicagel gehydrateerde kobaltionen, zodat de blauwe silicagel roze wordt. Nadat de roze silicagel een tijdje op 200 ℃ is verwarmd, verbreekt de waterstofbinding tussen de silicagel en de watermoleculen en wordt de verkleurde silicagel weer blauw, zodat het structuurdiagram van het kiezelzuur en de silicagel kan worden hergebruikt, zoals weergegeven in figuur 1. Omdat het oppervlak van silicagel dus rijk is aan hydroxylgroepen, kan het oppervlak van silicagel ook intermoleculaire waterstofbruggen vormen met NH3 en HCl, enz., en is het mogelijk dat er geen manier is om als zodanig te fungeren. een droogmiddel van NH3 en HCl, en er is geen relevant rapport in de bestaande literatuur. Dus wat waren de resultaten? Deze proefpersoon heeft het volgende experimentele onderzoek gedaan.
AFB. 1 Structuurdiagram van ortho-kiezelzuur en silicagel
2 Experimenteel deel
2.1 Verkenning van het toepassingsgebied van silicageldroogmiddel — Ammoniak Eerst werd de verkleurde silicagel in respectievelijk gedestilleerd water en geconcentreerd ammoniakwater geplaatst. Verkleurde silicagel wordt roze in gedestilleerd water; In geconcentreerde ammoniak kleurt de kleurveranderende siliconen eerst rood en langzaam lichtblauw. Hieruit blijkt dat silicagel NH3 of NH3·H2O in ammoniak kan opnemen. Zoals weergegeven in figuur 2 worden vast calciumhydroxide en ammoniumchloride gelijkmatig gemengd en verwarmd in een reageerbuis. Het resulterende gas wordt verwijderd door alkalikalk en vervolgens door silicagel. De kleur van de silicagel nabij de ingangsrichting wordt lichter (de kleur van het toepassingsgebied van het silicagel-droogmiddel in Figuur 2 wordt onderzocht – ammoniak 73, de 8e fase van 2023 is in principe hetzelfde als de kleur van de silicagel gedrenkt in geconcentreerd ammoniakwater) en het pH-testpapier vertoont geen duidelijke verandering. Dit geeft aan dat de geproduceerde NH3 het pH-testpapier niet heeft bereikt en volledig is geadsorbeerd. Stop na een bepaalde tijd het verwarmen, haal een klein deel van de silicagelbal eruit, doe het in het gedestilleerde water, voeg fenolftaleïne aan het water toe, de oplossing wordt rood, wat aangeeft dat de silicagel een sterk adsorptie-effect heeft op NH3, nadat het gedestilleerde water is losgemaakt, komt NH3 in het gedestilleerde water terecht, de oplossing is alkalisch. Omdat de silicagel een sterke adsorptie voor NH3 heeft, kan het siliconendroogmiddel NH3 niet drogen.
AFB. 2 Verkenning van het toepassingsgebied van silicagel als droogmiddel – ammoniak
2.2 Verkenning van het toepassingsgebied van silicagel als droogmiddel: waterstofchloride verbrandt eerst NaCl-vaste stoffen met een alcohollampvlam om het natte water in de vaste componenten te verwijderen. Nadat het monster is afgekoeld, wordt geconcentreerd zwavelzuur toegevoegd aan vaste NaCl-stoffen om onmiddellijk een groot aantal bellen te produceren. Het gegenereerde gas wordt in een bolvormige droogbuis geleid die silicagel bevat, en aan het uiteinde van de droogbuis wordt een nat pH-testpapier geplaatst. De silicagel aan de voorkant wordt lichtgroen en het natte pH-testpapier vertoont geen duidelijke verandering (zie figuur 3). Hieruit blijkt dat het gegenereerde HCl-gas volledig wordt geadsorbeerd door silicagel en niet in de lucht ontsnapt.
Figuur 3 Onderzoek naar het toepassingsgebied van silicageldroogmiddel – waterstofchloride
De silicagel absorbeerde HCl en werd lichtgroen en werd in een reageerbuis geplaatst. Doe de nieuwe blauwe silicagel in de reageerbuis, voeg geconcentreerd zoutzuur toe, silicagel wordt ook lichtgroen van kleur, de twee kleuren zijn in principe hetzelfde. Dit toont het silicagelgas in de bolvormige droogbuis.
2.3 Verkenning van het toepassingsgebied van silicageldroogmiddel — zwaveldioxide Gemengd geconcentreerd zwavelzuur met natriumthiosulfaat vast (zie Figuur 4), NA2s2 O3 +H2 SO4 ==Na2 SO4 +SO2 ↑+S↓+H2 O; Het gegenereerde gas wordt door de droogbuis geleid die de verkleurde silicagel bevat, de verkleurde silicagel wordt lichtblauwgroen en het blauwe lakmoespapier aan het uiteinde van het natte testpapier verandert niet significant, wat aangeeft dat het gegenereerde SO2-gas is verdwenen. volledig geabsorbeerd door de silicagelbal en kan niet ontsnappen.
AFB. 4 Verkenning van het toepassingsgebied van silicagel als droogmiddel — zwaveldioxide
Haal een deel van de silicagelbal af en plaats deze in gedestilleerd water. Nadat het volledig in balans is, laat u een kleine hoeveelheid waterdruppels vallen op het blauwe lakmoespapier. Het testpapier verandert niet significant, wat aangeeft dat gedestilleerd water niet voldoende is om SO2 uit de silicagel te desorberen. Neem een klein deel van de silicagelbal en verwarm deze in de reageerbuis. Plaats nat blauw lakmoespapier bij de opening van de reageerbuis. Het blauwe lakmoespapier wordt rood, wat aangeeft dat bij verhitting het SO2-gas uit de silicagelbal wordt gedesorbeerd, waardoor het lakmoespapier rood wordt. Uit bovenstaande experimenten blijkt dat silicagel ook een sterk adsorptie-effect heeft op SO2 of H2SO3 en niet kan worden gebruikt voor het drogen van SO2-gas.
2.4 Verkenning van het toepassingsgebied van silicageldroogmiddel — Kooldioxide
Zoals weergegeven in figuur 5 ziet de natriumbicarbonaatoplossing waarin fenolftaleïne druipt er lichtrood uit. De vaste stof natriumbicarbonaat wordt verwarmd en het resulterende gasmengsel wordt door een droogbuis geleid die gedroogde silicagelbolletjes bevat. De silicagel verandert niet significant en het natriumbicarbonaat, druipend van fenolftaleïne, adsorbeert de HCl. Het kobaltion in de verkleurde silicagel vormt een groene oplossing met Cl- en wordt geleidelijk kleurloos, wat aangeeft dat er aan het uiteinde van de bolvormige droogbuis een CO2-gascomplex zit. De lichtgroene silicagel wordt in gedestilleerd water geplaatst en de verkleurde silicagel verandert geleidelijk in geel, wat aangeeft dat het door silicagel geadsorbeerde HCl in het water is gedesorbeerd. Een kleine hoeveelheid van de bovenste waterige oplossing werd toegevoegd aan de met salpeterzuur aangezuurde zilvernitraatoplossing, waarbij een wit neerslag werd gevormd. Een kleine hoeveelheid waterige oplossing wordt op een breed scala aan pH-testpapier gedruppeld en het testpapier wordt rood, wat aangeeft dat de oplossing zuur is. Uit bovenstaande experimenten blijkt dat silicagel een sterke adsorptie heeft aan HCl-gas. HCl is een sterk polair molecuul en de hydroxylgroep op het oppervlak van silicagel heeft ook een sterke polariteit, en de twee kunnen intermoleculaire waterstofbruggen vormen of een relatief sterke dipool-dipoolinteractie hebben, wat resulteert in een relatief sterke intermoleculaire kracht tussen het oppervlak van silica. gel- en HCl-moleculen, dus silicagel heeft een sterke adsorptie van HCl. Daarom kan een siliconendroogmiddel niet worden gebruikt om de HCl-ontsnapping te drogen, dat wil zeggen dat de silicagel geen CO2 adsorbeert of slechts gedeeltelijk CO2 adsorbeert.
AFB. 5 Verkenning van het toepassingsgebied van silicagel als droogmiddel – kooldioxide
Om de adsorptie van silicagel aan kooldioxidegas te bewijzen, worden de volgende experimenten voortgezet. De silicagelbal in de bolvormige droogbuis werd verwijderd en het onderdeel werd verdeeld in een natriumbicarbonaatoplossing waarin fenolftaleïne druppelde. De natriumbicarbonaatoplossing werd ontkleurd. Dit toont aan dat silicagel kooldioxide adsorbeert, en na oplosbaarheid in water desorbeert kooldioxide in een natriumbicarbonaatoplossing, waardoor de natriumbicarbonaatoplossing vervaagt. Het resterende deel van de siliconenbal wordt in een droge reageerbuis verwarmd en het resulterende gas wordt in een oplossing van natriumbicarbonaat geleid, druipend van fenolftaleïne. Al snel verandert de natriumbicarbonaatoplossing van lichtrood naar kleurloos. Hieruit blijkt ook dat silicagel nog steeds adsorptiecapaciteit heeft voor CO2-gas. De adsorptiekracht van silicagel op CO2 is echter veel kleiner dan die van HCl, NH3 en SO2, en koolstofdioxide kan slechts gedeeltelijk worden geadsorbeerd tijdens het experiment in Figuur 5. De reden waarom silicagel CO2 gedeeltelijk kan adsorberen is waarschijnlijk dat silicagel en CO2 intermoleculaire waterstofbruggen vormen Si – OH… O =C. Omdat het centrale koolstofatoom van CO2 sp-hybride is en het siliciumatoom in silicagel sp3-hybride is, werkt het lineaire CO2-molecuul niet goed samen met het oppervlak van silicagel, waardoor de adsorptiekracht van silicagel op kooldioxide relatief groot is. klein.
3. Vergelijking tussen de oplosbaarheid van de vier gassen in water en de adsorptiestatus op het oppervlak van silicagel Uit de bovenstaande experimentele resultaten blijkt dat silicagel een sterk adsorptievermogen heeft voor ammoniak, waterstofchloride en zwaveldioxide, maar een kleine adsorptiekracht voor kooldioxide (zie Tabel 1). Dit is vergelijkbaar met de oplosbaarheid van de vier gassen in water. Dit kan zijn omdat watermoleculen hydroxy-OH bevatten en het oppervlak van silicagel ook rijk is aan hydroxyl, dus de oplosbaarheid van deze vier gassen in water lijkt sterk op de adsorptie ervan op het oppervlak van silicagel. Van de drie gassen ammoniakgas, waterstofchloride en zwaveldioxide heeft zwaveldioxide de kleinste oplosbaarheid in water, maar na te zijn geadsorbeerd door silicagel is het van de drie gassen het moeilijkst te desorpteren. Nadat de silicagel ammoniak en waterstofchloride heeft geadsorbeerd, kan deze worden gedesorbeerd met oplosmiddelwater. Nadat het zwaveldioxidegas is geadsorbeerd door silicagel, is het moeilijk te desorpteren met water en moet het worden verwarmd tot desorptie van het oppervlak van silicagel. Daarom moet de adsorptie van vier gassen op het oppervlak van silicagel theoretisch worden berekend.
4 Theoretische berekening van de interactie tussen silicagel en vier gassen wordt gepresenteerd in de kwantumiseringsORCA-software [4] in het kader van de dichtheidsfunctionaaltheorie (DFT). De DFT D/B3LYP/Def2 TZVP-methode werd gebruikt om de interactiemodi en energieën tussen verschillende gassen en silicagel te berekenen. Om de berekening te vereenvoudigen, worden vaste stoffen uit silicagel weergegeven door tetramere orthokiezelzuurmoleculen. Uit de rekenresultaten blijkt dat H2O, NH3 en HCl allemaal waterstofbruggen kunnen vormen met de hydroxylgroep op het oppervlak van silicagel (zie Figuur 6a ~ c). Ze hebben een relatief sterke bindingsenergie op het silicageloppervlak (zie Tabel 2) en worden gemakkelijk geadsorbeerd op het silicageloppervlak. Omdat de bindingsenergie van NH3 en HCl vergelijkbaar is met die van H2O, kan het wassen met water leiden tot desorptie van deze twee gasmoleculen. Voor het SO2-molecuul bedraagt de bindingsenergie slechts -17,47 kJ/mol, wat veel kleiner is dan de bovengenoemde drie moleculen. Het experiment bevestigde echter dat SO2-gas gemakkelijk wordt geadsorbeerd op de silicagel, en zelfs wassen kan het niet desorberen, en alleen verwarming kan SO2 uit het oppervlak van de silicagel laten ontsnappen. Daarom vermoedden we dat SO2 zich waarschijnlijk zou verbinden met H2O op het oppervlak van silicagel om H2SO3-fracties te vormen. Figuur 6e laat zien dat het H2SO3-molecuul tegelijkertijd drie waterstofbindingen vormt met de hydroxyl- en zuurstofatomen op het oppervlak van de silicagel, en dat de bindingsenergie wel -76,63 kJ/mol bedraagt, wat verklaart waarom SO2 aan het oppervlak wordt geadsorbeerd. de silicagel is moeilijk te ontwijken met water. Niet-polair CO2 heeft het zwakste bindingsvermogen met silicagel en kan slechts gedeeltelijk worden geadsorbeerd door silicagel. Hoewel de bindingsenergie van H2CO3 en silicagel ook -65,65 kJ/mol bereikte, was de omzettingssnelheid van CO2 in H2CO3 niet hoog, waardoor de adsorptiesnelheid van CO2 ook verlaagd werd. Uit de bovenstaande gegevens blijkt dat de polariteit van het gasmolecuul niet het enige criterium is om te beoordelen of het kan worden geadsorbeerd door silicagel, en dat de waterstofbrug gevormd met het silicageloppervlak de belangrijkste reden is voor de stabiele adsorptie ervan.
De samenstelling van silicagel is SiO2 ·nH2O, het enorme oppervlak van silicagel en de rijke hydroxylgroep op het oppervlak zorgen ervoor dat silicagel kan worden gebruikt als een niet-giftige droger met uitstekende prestaties, en wordt veel gebruikt in de productie en het leven . In dit artikel wordt op basis van twee aspecten van het experiment en de theoretische berekening bevestigd dat silicagel NH3, HCl, SO2, CO2 en andere gassen kan adsorberen via intermoleculaire waterstofbruggen, zodat silicagel niet kan worden gebruikt voor het drogen van deze gassen. De samenstelling van silicagel is SiO2 ·nH2O, het enorme oppervlak van silicagel en de rijke hydroxylgroep op het oppervlak zorgen ervoor dat silicagel kan worden gebruikt als een niet-giftige droger met uitstekende prestaties, en wordt veel gebruikt in de productie en het leven . In dit artikel wordt op basis van twee aspecten van het experiment en de theoretische berekening bevestigd dat silicagel NH3, HCl, SO2, CO2 en andere gassen kan adsorberen via intermoleculaire waterstofbruggen, zodat silicagel niet kan worden gebruikt voor het drogen van deze gassen.
３
AFB. 6 Interactiemodi tussen verschillende moleculen en silicageloppervlak berekend met de DFT-methode
Posttijd: 14-nov-2023
