Sa produksyon at buhay, ang silica gel ay maaaring gamitin upang matuyo ang N2, hangin, hydrogen, natural gas [1] at iba pa. Ayon sa acid at alkali, ang desiccant ay maaaring nahahati sa: acid desiccant, alkaline desiccant at neutral desiccant [2]. Lumilitaw na ang silica gel ay isang neutral na dryer na tila nagpapatuyo ng NH3, HCl, SO2, atbp. Gayunpaman, mula sa prinsipyong punto ng view, ang silica gel ay binubuo ng tatlong-dimensional na intermolecular dehydration ng orthosilicic acid molecule, ang pangunahing katawan ay SiO2, at ang ibabaw ay mayaman sa mga pangkat na hydroxyl (tingnan ang Larawan 1). Ang dahilan kung bakit ang silica gel ay maaaring sumipsip ng tubig ay ang silicon hydroxyl group sa ibabaw ng silica gel ay maaaring bumuo ng intermolecular hydrogen bond na may mga molekula ng tubig, kaya maaari itong mag-adsorb ng tubig at sa gayon ay gumaganap ng isang papel sa pagpapatuyo. Ang nagpapalit ng kulay na silica gel ay naglalaman ng mga cobalt ions, at pagkatapos na ang adsorption na tubig ay umabot sa saturation, ang mga cobalt ions sa nagpapalit ng kulay na silica gel ay nagiging hydrated cobalt ions, upang ang asul na silica gel ay nagiging pink. Pagkatapos magpainit ng pink na silica gel sa 200 ℃ sa loob ng ilang panahon, ang hydrogen bond sa pagitan ng silica gel at mga molekula ng tubig ay masisira, at ang kupas na silica gel ay magiging bughaw muli, upang ang structure diagram ng silicic acid at silica gel ay maaaring magagamit muli tulad ng ipinapakita sa Figure 1. Kaya, dahil ang ibabaw ng silica gel ay mayaman sa mga hydroxyl group, ang ibabaw ng silica gel ay maaari ding bumuo ng intermolecular hydrogen bond na may NH3 at HCl, atbp., at maaaring walang paraan upang kumilos bilang isang desiccant ng NH3 at HCl, at walang nauugnay na ulat sa umiiral na panitikan. Kaya ano ang mga resulta? Ginawa ng paksang ito ang sumusunod na eksperimentong pananaliksik.
FIG. 1 Structure diagram ng ortho-silicic acid at silica gel
2 Bahagi ng Eksperimento
2.1 Paggalugad ng saklaw ng paggamit ng silica gel desiccant — Ammonia Una, ang discolored na silica gel ay inilagay sa distilled water at concentrated ammonia water ayon sa pagkakabanggit. Ang kupas na silica gel ay nagiging pink sa distilled water; Sa concentrated ammonia, ang silicone na nagbabago ng kulay ay unang nagiging pula at dahan-dahang nagiging mapusyaw na asul. Ipinapakita nito na ang silica gel ay maaaring sumipsip ng NH3 o NH3 ·H2 O sa ammonia. Gaya ng ipinapakita sa Figure 2, ang solid calcium hydroxide at ammonium chloride ay pantay na pinaghalo at pinainit sa isang test tube. Ang resultang gas ay inalis ng alkali lime at pagkatapos ay sa pamamagitan ng silica gel. Ang kulay ng silica gel malapit sa direksyon ng pasukan ay nagiging mas magaan (ang kulay ng saklaw ng aplikasyon ng silica gel desiccant sa Figure 2 ay ginalugad — ammonia 73, ang ika-8 yugto ng 2023 ay karaniwang kapareho ng kulay ng silica gel na babad sa concentrated ammonia water), at ang pH test paper ay walang malinaw na pagbabago. Ito ay nagpapahiwatig na ang NH3 na ginawa ay hindi umabot sa pH test paper, at ito ay ganap na na-adsorbed. Pagkatapos ng ilang oras, itigil ang pag-init, kumuha ng maliit na bahagi ng silica gel ball, ilagay ito sa distilled water, magdagdag ng phenolphthalein sa tubig, ang solusyon ay nagiging pula, na nagpapahiwatig na ang silica gel ay may malakas na adsorption effect sa Ang NH3, pagkatapos matanggal ang distilled water, ang NH3 ay pumapasok sa distilled water, ang solusyon ay alkaline. Samakatuwid, dahil ang silica gel ay may malakas na adsorption para sa NH3, ang silicone drying agent ay hindi maaaring matuyo ang NH3.
FIG. 2 Paggalugad ng saklaw ng aplikasyon ng silica gel desiccant — ammonia
2.2 Paggalugad ng saklaw ng paggamit ng silica gel desiccant — ang hydrogen chloride ay unang sinusunog ang mga solidong NaCl na may siga ng lampara ng alkohol upang alisin ang basang tubig sa mga solidong sangkap. Matapos lumamig ang sample, ang concentrated sulfuric acid ay idinagdag sa NaCl solids upang agad na makagawa ng malaking bilang ng mga bula. Ang nabuong gas ay ipinapasa sa isang spherical drying tube na naglalaman ng silica gel, at isang basang pH test paper ay inilalagay sa dulo ng drying tube. Ang silica gel sa harap na dulo ay nagiging light green, at ang basang pH test paper ay walang malinaw na pagbabago (tingnan ang Figure 3). Ito ay nagpapakita na ang nabuong HCl gas ay ganap na na-adsorbed ng silica gel at hindi tumatakas sa hangin.
Figure 3 Pananaliksik sa saklaw ng paggamit ng silica gel desiccant - hydrogen chloride
Ang silica gel na nag-adsorbed ng HCl at naging light green ay inilagay sa isang test tube. Ilagay ang bagong asul na silica gel sa test tube, magdagdag ng puro hydrochloric acid, ang silica gel ay nagiging mapusyaw na berdeng kulay, ang dalawang kulay ay karaniwang pareho. Ipinapakita nito ang silica gel gas sa spherical drying tube.
2.3 Paggalugad ng saklaw ng aplikasyon ng silica gel desiccant — sulfur dioxide Mixed concentrated sulfuric acid na may sodium thiosulfate solid (tingnan ang Figure 4), NA2s2 O3 +H2 SO4 ==Na2 SO4 +SO2 ↑+S↓+H2 O; Ang nabuong gas ay ipinapasa sa drying tube na naglalaman ng discolored na silica gel, ang discolored na silica gel ay nagiging light blue-green, at ang blue litmus paper sa dulo ng wet test paper ay hindi nagbabago nang malaki, na nagpapahiwatig na ang nabuong SO2 gas ay may ganap na na-adsorb ng silica gel ball at hindi makatakas.
FIG. 4 Paggalugad ng saklaw ng paggamit ng silica gel desiccant - sulfur dioxide
Tanggalin ang isang bahagi ng silica gel ball at ilagay ito sa distilled water. Pagkatapos ng buong balanse, kumuha ng kaunting patak ng tubig sa asul na litmus paper. Ang test paper ay hindi nagbabago nang malaki, na nagpapahiwatig na ang distilled water ay hindi sapat upang ma-desorbed ang SO2 mula sa silica gel. Kumuha ng maliit na bahagi ng silica gel ball at initin ito sa test tube. Maglagay ng basang asul na litmus paper sa bibig ng test tube. Ang asul na litmus paper ay nagiging pula, na nagpapahiwatig na ang pag-init ay ginagawang ang SO2 gas ay na-desorbed mula sa silica gel ball, kaya nagiging pula ang litmus paper. Ang mga eksperimento sa itaas ay nagpapakita na ang silica gel ay mayroon ding malakas na adsorption effect sa SO2 o H2 SO3, at hindi maaaring gamitin para sa pagpapatuyo ng SO2 gas.
2.4 Paggalugad ng saklaw ng paggamit ng silica gel desiccant — Carbon dioxide
Gaya ng ipinapakita sa Figure 5, ang sodium bikarbonate solution na tumutulo sa phenolphthalein ay lumilitaw na light red. Ang sodium bikarbonate solid ay pinainit at ang nagresultang gas mixture ay ipinapasa sa isang drying tube na naglalaman ng pinatuyong silica gel spheres. Ang silica gel ay hindi nagbabago nang malaki at ang sodium bikarbonate na tumutulo sa phenolphthalein ay sumisipsip sa HCl. Ang cobalt ion sa kupas na silica gel ay bumubuo ng berdeng solusyon na may Cl- at unti-unting nagiging walang kulay, na nagpapahiwatig na mayroong CO2 gas complex sa dulo ng spherical drying tube. Ang light-green na silica gel ay inilalagay sa distilled water, at ang kupas na silica gel ay unti-unting nagbabago sa dilaw, na nagpapahiwatig na ang HCl na na-adsorb ng silica gel ay na-desorbed sa tubig. Ang isang maliit na halaga ng upper aqueous solution ay idinagdag sa silver nitrate solution na inaasido ng nitric acid upang makabuo ng puting namuo. Ang isang maliit na halaga ng may tubig na solusyon ay ibinabagsak sa isang malawak na hanay ng pH test paper, at ang test paper ay nagiging pula, na nagpapahiwatig na ang solusyon ay acidic. Ang mga eksperimento sa itaas ay nagpapakita na ang silica gel ay may malakas na adsorption sa HCl gas. Ang HCl ay isang malakas na polar molecule, at ang hydroxyl group sa ibabaw ng silica gel ay mayroon ding malakas na polarity, at ang dalawa ay maaaring bumuo ng intermolecular hydrogen bond o may medyo malakas na dipole dipole na interaksyon, na nagreresulta sa medyo malakas na intermolecular na puwersa sa pagitan ng ibabaw ng silica gel at HCl molecules, kaya ang silica gel ay may malakas na adsorption ng HCl. Samakatuwid, ang silicone drying agent ay hindi maaaring gamitin upang matuyo ang HCl escape, iyon ay, ang silica gel ay hindi nag-adsorb ng CO2 o bahagyang nag-adsorb ng CO2.
FIG. 5 Paggalugad ng saklaw ng paggamit ng silica gel desiccant - carbon dioxide
Upang mapatunayan ang adsorption ng silica gel sa carbon dioxide gas, ang mga sumusunod na eksperimento ay ipinagpatuloy. Ang silica gel ball sa spherical drying tube ay inalis, at ang bahagi ay nahahati sa sodium bikarbonate solution na tumutulo sa phenolphthalein. Ang solusyon ng sodium bikarbonate ay na-decolored. Ipinapakita nito na ang silica gel ay nag-adsorb ng carbon dioxide, at pagkatapos na matunaw sa tubig, ang carbon dioxide ay na-desorbs sa sodium bikarbonate solution, na nagiging sanhi ng sodium bikarbonate solution na kumukupas. Ang natitirang bahagi ng silicone ball ay pinainit sa isang tuyong test tube, at ang nagresultang gas ay ipinapasa sa isang solusyon ng sodium bikarbonate na tumutulo ng phenolphthalein. Sa lalong madaling panahon, ang solusyon ng sodium bikarbonate ay nagbabago mula sa mapusyaw na pula hanggang sa walang kulay. Ipinapakita rin nito na ang silica gel ay mayroon pa ring adsorption capacity para sa CO2 gas. Gayunpaman, ang puwersa ng adsorption ng silica gel sa CO2 ay mas maliit kaysa sa HCl, NH3 at SO2, at ang carbon dioxide ay maaari lamang na bahagyang na-adsorb sa panahon ng eksperimento sa Figure 5. Ang dahilan kung bakit ang silica gel ay maaaring bahagyang mag-adsorb ng CO2 ay malamang na na ang silica gel at CO2 ay bumubuo ng intermolecular hydrogen bonds Si — OH… O =C. Dahil ang gitnang carbon atom ng CO2 ay sp hybrid, at ang silicon atom sa silica gel ay sp3 hybrid, ang linear na molekula ng CO2 ay hindi mahusay na nakikipagtulungan sa ibabaw ng silica gel, na nagreresulta sa puwersa ng adsorption ng silica gel sa carbon dioxide ay medyo maliit.
3. Paghahambing sa pagitan ng solubility ng apat na gas sa tubig at ang katayuan ng adsorption sa ibabaw ng silica gel Mula sa mga eksperimentong resulta sa itaas, makikita na ang silica gel ay may malakas na kapasidad ng adsorption para sa ammonia, hydrogen chloride at sulfur dioxide, ngunit isang maliit na puwersa ng adsorption para sa carbon dioxide (tingnan ang Talahanayan 1). Ito ay katulad ng solubility ng apat na gas sa tubig. Ito ay maaaring dahil ang mga molekula ng tubig ay naglalaman ng hydroxy-OH, at ang ibabaw ng silica gel ay mayaman din sa hydroxyl, kaya ang solubility ng apat na gas na ito sa tubig ay halos kapareho sa adsorption nito sa ibabaw ng silica gel. Kabilang sa tatlong gas ng ammonia gas, hydrogen chloride at sulfur dioxide, ang sulfur dioxide ay may pinakamaliit na solubility sa tubig, ngunit pagkatapos ma-adsorbed ng silica gel, ito ang pinakamahirap na desorption sa tatlong gas. Matapos ma-adsorb ng silica gel ang ammonia at hydrogen chloride, maaari itong ma-desorbed ng solvent na tubig. Matapos ma-adsorbed ng silica gel ang sulfur dioxide gas, mahirap itong i-desorption gamit ang tubig, at dapat itong painitin hanggang sa desorption mula sa ibabaw ng silica gel. Samakatuwid, ang adsorption ng apat na gas sa ibabaw ng silica gel ay dapat na theoretically kalkulahin.
4 Ang teoretikal na pagkalkula ng pakikipag-ugnayan sa pagitan ng silica gel at apat na gas ay ipinakita sa quantumization ORCA software [4] sa ilalim ng balangkas ng density functional theory (DFT). Ang pamamaraan ng DFT D/B3LYP/Def2 TZVP ay ginamit upang kalkulahin ang mga mode ng pakikipag-ugnayan at enerhiya sa pagitan ng iba't ibang mga gas at silica gel. Upang gawing simple ang pagkalkula, ang mga solidong silica gel ay kinakatawan ng mga molekula ng tetrameric orthosilicic acid. Ang mga resulta ng pagkalkula ay nagpapakita na ang H2 O, NH3 at HCl ay maaaring bumuo ng lahat ng hydrogen bond na may hydroxyl group sa ibabaw ng silica gel (tingnan ang Figure 6a ~ c). Ang mga ito ay medyo malakas na nagbubuklod na enerhiya sa ibabaw ng silica gel (tingnan ang Talahanayan 2) at madaling na-adsorb sa ibabaw ng silica gel. Dahil ang nagbubuklod na enerhiya ng NH3 at HCl ay katulad ng sa H2 O, ang paghuhugas ng tubig ay maaaring humantong sa desorption ng dalawang molekulang gas na ito. Para sa molekula ng SO2, ang nagbubuklod na enerhiya nito ay -17.47 kJ/mol lamang, na mas maliit kaysa sa tatlong molekula sa itaas. Gayunpaman, kinumpirma ng eksperimento na ang SO2 gas ay madaling na-adsorbed sa silica gel, at kahit na ang paghuhugas ay hindi ma-desorbed ito, at ang pag-init lamang ang maaaring makatakas sa SO2 mula sa ibabaw ng silica gel. Samakatuwid, nahulaan namin na ang SO2 ay malamang na pagsamahin sa H2 O sa ibabaw ng silica gel upang bumuo ng H2 SO3 fractions. Ipinapakita ng Figure 6e na ang H2 SO3 molecule ay bumubuo ng tatlong hydrogen bond na may hydroxyl at oxygen atoms sa ibabaw ng silica gel sa parehong oras, at ang binding energy ay kasing taas ng -76.63 kJ/mol, na nagpapaliwanag kung bakit SO2 adsorbed on ang silica gel ay mahirap iwasan ng tubig. Ang non-polar CO2 ay may pinakamahinang kakayahan sa pagbubuklod sa silica gel, at maaari lamang bahagyang ma-adsorbed ng silica gel. Bagaman ang nagbubuklod na enerhiya ng H2 CO3 at silica gel ay umabot din sa -65.65 kJ/mol, hindi mataas ang conversion rate ng CO2 sa H2 CO3, kaya nabawasan din ang adsorption rate ng CO2. Makikita mula sa data sa itaas na ang polarity ng molekula ng gas ay hindi lamang ang criterion upang hatulan kung maaari itong ma-adsorbed ng silica gel, at ang hydrogen bond na nabuo sa ibabaw ng silica gel ay ang pangunahing dahilan para sa matatag na adsorption nito.
Ang komposisyon ng silica gel ay SiO2 ·nH2 O, ang malaking surface area ng silica gel at ang rich hydroxyl group sa ibabaw ay ginagawang ang silica gel ay maaaring gamitin bilang isang non-toxic dryer na may mahusay na pagganap, at malawakang ginagamit sa produksyon at buhay. . Sa papel na ito, kinumpirma mula sa dalawang aspeto ng eksperimento at teoretikal na pagkalkula na ang silica gel ay maaaring mag-adsorb ng NH3, HCl, SO2, CO2 at iba pang mga gas sa pamamagitan ng intermolecular hydrogen bond, kaya ang silica gel ay hindi maaaring gamitin para sa pagpapatuyo ng mga gas na ito. Ang komposisyon ng silica gel ay SiO2 ·nH2 O, ang malaking surface area ng silica gel at ang rich hydroxyl group sa ibabaw ay ginagawang ang silica gel ay maaaring gamitin bilang isang non-toxic dryer na may mahusay na pagganap, at malawakang ginagamit sa produksyon at buhay. . Sa papel na ito, kinumpirma mula sa dalawang aspeto ng eksperimento at teoretikal na pagkalkula na ang silica gel ay maaaring mag-adsorb ng NH3, HCl, SO2, CO2 at iba pang mga gas sa pamamagitan ng intermolecular hydrogen bond, kaya ang silica gel ay hindi maaaring gamitin para sa pagpapatuyo ng mga gas na ito.
3
FIG. 6 Mga mode ng pakikipag-ugnayan sa pagitan ng iba't ibang molekula at ibabaw ng silica gel na kinakalkula ng pamamaraang DFT
Oras ng post: Nob-14-2023
