En producció i vida útil, el gel de sílice es pot utilitzar per assecar N2, aire, hidrogen, gas natural [1], etc. Segons l'àcid i l'àlcali, el dessecant es pot dividir en: dessecant àcid, dessecant alcalí i dessecant neutre [2]. El gel de sílice sembla ser un assecador neutre que sembla assecar NH3, HCl, SO2, etc. No obstant això, des del punt de vista principal, el gel de sílice es compon de deshidratació intermolecular tridimensional de molècules d'àcid ortosilícic, el cos principal és SiO2, i la superfície és rica en grups hidroxil (vegeu la figura 1). La raó per la qual el gel de sílice pot absorbir aigua és que el grup hidroxil de silici a la superfície del gel de sílice pot formar enllaços d'hidrogen intermoleculars amb molècules d'aigua, de manera que pot absorbir aigua i, per tant, tenir un paper d'assecat. El gel de sílice que canvia de color conté ions de cobalt i, després que l'aigua d'adsorció arribi a la saturació, els ions de cobalt del gel de sílice que canvien de color es converteixen en ions de cobalt hidratats, de manera que el gel de sílice blau es torna rosa. Després d'escalfar el gel de sílice rosa a 200 ℃ durant un període de temps, l'enllaç d'hidrogen entre el gel de sílice i les molècules d'aigua es trenca i el gel de sílice descolorit es tornarà blau, de manera que el diagrama d'estructura de l'àcid silícic i el gel de sílice pot Es pot reutilitzar tal com es mostra a la figura 1. Per tant, com que la superfície del gel de sílice és rica en grups hidroxil, la superfície del gel de sílice també pot formar enllaços d'hidrogen intermoleculars amb NH3 i HCl, etc., i pot ser que no hi hagi manera d'actuar com a un dessecant de NH3 i HCl, i no hi ha cap informe rellevant a la literatura existent. Llavors, quins van ser els resultats? Aquesta assignatura ha fet la següent investigació experimental.
FIG. 1 Diagrama d'estructura de l'àcid orto-silícic i el gel de sílice
2 Part de l'experiment
2.1 Exploració de l'àmbit d'aplicació del dessecant de gel de sílice: amoníac En primer lloc, el gel de sílice descolorit es va col·locar en aigua destil·lada i aigua concentrada d'amoníac respectivament. El gel de sílice descolorit es torna rosa en aigua destil·lada; En l'amoníac concentrat, la silicona que canvia de color es torna vermella i lentament es torna blau clar. Això demostra que el gel de sílice pot absorbir NH3 o NH3 ·H2 O en amoníac. Com es mostra a la figura 2, l'hidròxid de calci sòlid i el clorur d'amoni es barregen uniformement i s'escalfen en un tub d'assaig. El gas resultant s'elimina amb calç alcalina i després amb gel de sílice. El color del gel de sílice a prop de la direcció d'entrada es torna més clar (s'explora el color de l'àmbit d'aplicació del dessecant del gel de sílice a la figura 2: amoníac 73, la vuitena fase del 2023 és bàsicament el mateix que el color del gel de sílice sucat. en aigua concentrada d'amoníac) i el paper de prova de pH no té cap canvi evident. Això indica que l'NH3 produït no ha arribat al paper de prova de pH i s'ha adsorbit completament. Després d'un període de temps, atureu l'escalfament, traieu una petita part de la bola de gel de sílice, poseu-la a l'aigua destil·lada, afegiu fenolftaleïna a l'aigua, la solució es torna vermella, indicant que el gel de sílice té un fort efecte d'adsorció. NH3, després de desenganxar l'aigua destil·lada, NH3 entra a l'aigua destil·lada, la solució és alcalina. Per tant, com que el gel de sílice té una forta adsorció per a NH3, l'assecant de silicona no pot assecar NH3.
FIG. 2 Exploració de l'àmbit d'aplicació del dessecant de gel de sílice: amoníac
2.2 Exploració de l'àmbit d'aplicació del dessecant de gel de sílice: el clorur d'hidrogen crema primer sòlids de NaCl amb una flama d'alcohol per eliminar l'aigua humida dels components sòlids. Després de refredar la mostra, s'afegeix àcid sulfúric concentrat als sòlids de NaCl per produir immediatament un gran nombre de bombolles. El gas generat es passa a un tub d'assecat esfèric que conté gel de sílice i es col·loca un paper de prova de pH humit al final del tub d'assecat. El gel de sílice a l'extrem frontal es torna verd clar i el paper de prova de pH humit no té cap canvi evident (vegeu la figura 3). Això demostra que el gas HCl generat s'adsorbeix completament pel gel de sílice i no s'escapa a l'aire.
Figura 3 Recerca sobre l'àmbit d'aplicació del dessecant de gel de sílice — clorur d'hidrogen
El gel de sílice va adsorbir HCl i es va tornar verd clar en un tub d'assaig. Poseu el nou gel de sílice blau al tub d'assaig, afegiu àcid clorhídric concentrat, el gel de sílice també es torna de color verd clar, els dos colors són bàsicament els mateixos. Això mostra el gas de gel de sílice al tub d'assecat esfèric.
2.3 Exploració de l'àmbit d'aplicació del dessecant de gel de sílice — diòxid de sofre Àcid sulfúric concentrat barrejat amb sòlid de tiosulfat de sodi (vegeu la figura 4), NA2s2 O3 +H2 SO4 ==Na2 SO4 +SO2 ↑+S↓+H2O; El gas generat es fa passar pel tub d'assecat que conté el gel de sílice descolorit, el gel de sílice descolorit es torna blau-verd clar i el paper tornasol blau al final del paper de prova humit no canvia significativament, cosa que indica que el gas SO2 generat té ha estat completament adsorbit per la bola de gel de sílice i no pot escapar.
FIG. 4 Exploració de l'àmbit d'aplicació del dessecant de gel de sílice: diòxid de sofre
Traieu una part de la bola de gel de sílice i poseu-la en aigua destil·lada. Després de l'equilibri complet, agafeu una petita quantitat de gota d'aigua al paper de tornasol blau. El paper de prova no canvia significativament, cosa que indica que l'aigua destil·lada no és suficient per desorbir SO2 del gel de sílice. Agafeu una petita part de la bola de gel de sílice i escalfeu-la al tub d'assaig. Poseu paper de tornasol blau humit a la boca del tub d'assaig. El paper de tornasol blau es torna vermell, indicant que l'escalfament fa que el gas SO2 es desorbeixi de la bola de gel de sílice, fent que el paper de tornasol es torni vermell. Els experiments anteriors mostren que el gel de sílice també té un fort efecte d'adsorció sobre SO2 o H2SO3 i no es pot utilitzar per assecar el gas SO2.
2.4 Exploració de l'àmbit d'aplicació del dessecant de gel de sílice — Diòxid de carboni
Com es mostra a la figura 5, la solució de bicarbonat de sodi que degota fenolftaleïna apareix de color vermell clar. El sòlid de bicarbonat de sodi s'escalfa i la mescla de gas resultant es fa passar per un tub d'assecat que conté esferes de gel de sílice seques. El gel de sílice no canvia significativament i el degoteig de bicarbonat de sodi amb fenolftaleïna adsorbeix l'HCl. L'ió cobalt del gel de sílice descolorit forma una solució verda amb Cl- i gradualment es torna incolor, indicant que hi ha un complex de gas CO2 al final del tub d'assecat esfèric. El gel de sílice de color verd clar es col·loca en aigua destil·lada i el gel de sílice descolorit canvia gradualment a groc, indicant que l'HCl adsorbit pel gel de sílice s'ha desorbit a l'aigua. Es va afegir una petita quantitat de la solució aquosa superior a la solució de nitrat de plata acidificada per àcid nítric per formar un precipitat blanc. Es deixa caure una petita quantitat de solució aquosa sobre un ampli rang de paper de prova de pH i el paper de prova es torna vermell, indicant que la solució és àcida. Els experiments anteriors mostren que el gel de sílice té una forta adsorció al gas HCl. L'HCl és una molècula fortament polar, i el grup hidroxil a la superfície del gel de sílice també té una polaritat forta, i els dos poden formar enllaços d'hidrogen intermoleculars o tenir una interacció dipol dipol relativament forta, donant lloc a una força intermolecular relativament forta entre la superfície de la sílice. gel i molècules de HCl, de manera que el gel de sílice té una forta adsorció de HCl. Per tant, l'agent d'assecat de silicona no es pot utilitzar per assecar l'escapada de HCl, és a dir, el gel de sílice no adsorbeix CO2 o només adsorbeix parcialment CO2.
FIG. 5 Exploració de l'àmbit d'aplicació del dessecant de gel de sílice: diòxid de carboni
Per tal de demostrar l'adsorció del gel de sílice al gas diòxid de carboni, es continuen els experiments següents. Es va eliminar la bola de gel de sílice del tub d'assecat esfèric i la peça es va dividir en una solució de bicarbonat de sodi que degotava fenolftaleïna. La solució de bicarbonat de sodi es va decolorar. Això demostra que el gel de sílice adsorbeix el diòxid de carboni i, després de ser soluble en aigua, el diòxid de carboni es desorbeix en una solució de bicarbonat de sodi, fent que la solució de bicarbonat de sodi s'esvaeix. La part restant de la bola de silicona s'escalfa en un tub d'assaig sec i el gas resultant es passa a una solució de bicarbonat de sodi degotant amb fenolftaleïna. Aviat, la solució de bicarbonat de sodi passa de vermell clar a incolor. Això també demostra que el gel de sílice encara té capacitat d'adsorció del gas CO2. Tanmateix, la força d'adsorció del gel de sílice sobre el CO2 és molt menor que la del HCl, NH3 i SO2, i el diòxid de carboni només es pot adsorbir parcialment durant l'experiment de la figura 5. És probable que el motiu pel qual el gel de sílice pot adsorbir parcialment el CO2 sigui que el gel de sílice i el CO2 formen enllaços d'hidrogen intermoleculars Si — OH… O =C. Com que l'àtom de carboni central del CO2 és un híbrid sp i l'àtom de silici del gel de sílice és un híbrid sp3, la molècula de CO2 lineal no coopera bé amb la superfície del gel de sílice, la qual cosa fa que la força d'adsorció del gel de sílice sobre el diòxid de carboni sigui relativament relativa. petit.
3. Comparació entre la solubilitat dels quatre gasos a l'aigua i l'estat d'adsorció a la superfície del gel de sílice A partir dels resultats experimentals anteriors, es pot veure que el gel de sílice té una forta capacitat d'adsorció d'amoníac, clorur d'hidrogen i diòxid de sofre, però una petita força d'adsorció del diòxid de carboni (vegeu la taula 1). Això és similar a la solubilitat dels quatre gasos a l'aigua. Això pot ser perquè les molècules d'aigua contenen hidroxi-OH, i la superfície del gel de sílice també és rica en hidroxil, de manera que la solubilitat d'aquests quatre gasos a l'aigua és molt similar a la seva adsorció a la superfície del gel de sílice. Entre els tres gasos d'amoníac, clorur d'hidrogen i diòxid de sofre, el diòxid de sofre té la menor solubilitat a l'aigua, però després d'haver estat adsorbit per gel de sílice, és el més difícil de desorció entre els tres gasos. Després que el gel de sílice adsorbeixi amoníac i clorur d'hidrogen, es pot desorbir amb aigua dissolvent. Després que el gas de diòxid de sofre s'adsorbeixi pel gel de sílice, és difícil la desorció amb aigua i s'ha d'escalfar fins a la desorció des de la superfície del gel de sílice. Per tant, s'ha de calcular teòricament l'adsorció de quatre gasos a la superfície del gel de sílice.
4 El càlcul teòric de la interacció entre gel de sílice i quatre gasos es presenta al programari de quantització ORCA [4] sota el marc de la teoria funcional de la densitat (DFT). Es va utilitzar el mètode DFT D/B3LYP/Def2 TZVP per calcular els modes d'interacció i les energies entre diferents gasos i gel de sílice. Per tal de simplificar el càlcul, els sòlids de gel de sílice estan representats per molècules d'àcid ortosilícic tetramèric. Els resultats del càlcul mostren que H2O, NH3 i HCl poden formar enllaços d'hidrogen amb el grup hidroxil a la superfície del gel de sílice (vegeu la figura 6a ~ c). Tenen una energia d'unió relativament forta a la superfície del gel de sílice (vegeu la taula 2) i s'adsorbeixen fàcilment a la superfície del gel de sílice. Com que l'energia d'unió de l'NH3 i l'HCl és similar a la de l'H2O, el rentat d'aigua pot provocar la desorció d'aquestes dues molècules de gas. Per a la molècula de SO2, la seva energia d'unió és només -17,47 kJ/mol, que és molt més petita que les tres molècules anteriors. Tanmateix, l'experiment va confirmar que el gas SO2 s'adsorbeix fàcilment al gel de sílice, i fins i tot el rentat no el pot desorbir, i només l'escalfament pot fer que el SO2 s'escapi de la superfície del gel de sílice. Per tant, vam endevinar que és probable que SO2 es combini amb H2O a la superfície del gel de sílice per formar fraccions H2SO3. La figura 6e mostra que la molècula H2 SO3 forma tres enllaços d'hidrogen amb els àtoms d'hidroxil i d'oxigen a la superfície del gel de sílice alhora, i l'energia d'unió és tan alta com -76,63 kJ/mol, la qual cosa explica per què el SO2 s'adsorbeix a el gel de sílice és difícil d'eludir amb aigua. El CO2 no polar té la capacitat d'unió més feble amb el gel de sílice i només es pot adsorbir parcialment pel gel de sílice. Tot i que l'energia d'unió de H2 CO3 i gel de sílice també va arribar a -65,65 kJ/mol, la taxa de conversió de CO2 a H2 CO3 no va ser alta, de manera que també es va reduir la taxa d'adsorció de CO2. A partir de les dades anteriors, es pot veure que la polaritat de la molècula de gas no és l'únic criteri per jutjar si es pot adsorbir per gel de sílice, i l'enllaç d'hidrogen format amb la superfície del gel de sílice és el principal motiu de la seva adsorció estable.
La composició del gel de sílice és SiO2 ·nH2 O, l'enorme superfície del gel de sílice i el grup hidroxil ric a la superfície fan que el gel de sílice es pugui utilitzar com a assecador no tòxic amb un rendiment excel·lent i s'utilitza àmpliament en la producció i la vida útil. . En aquest article, es confirma des de dos aspectes de l'experimentació i el càlcul teòric que el gel de sílice pot adsorbir NH3, HCl, SO2, CO2 i altres gasos mitjançant enllaços d'hidrogen intermoleculars, de manera que el gel de sílice no es pot utilitzar per assecar aquests gasos. La composició del gel de sílice és SiO2 ·nH2 O, l'enorme superfície del gel de sílice i el grup hidroxil ric a la superfície fan que el gel de sílice es pugui utilitzar com a assecador no tòxic amb un rendiment excel·lent i s'utilitza àmpliament en la producció i la vida útil. . En aquest article, es confirma des de dos aspectes de l'experimentació i el càlcul teòric que el gel de sílice pot adsorbir NH3, HCl, SO2, CO2 i altres gasos mitjançant enllaços d'hidrogen intermoleculars, de manera que el gel de sílice no es pot utilitzar per assecar aquests gasos.
３
FIG. 6 Modes d'interacció entre diferents molècules i superfície de gel de sílice calculats pel mètode DFT
Hora de publicació: 14-nov-2023
