İstehsalda və həyatda silikagel N2, hava, hidrogen, təbii qaz [1] və s. Turşu və qələvilərə görə quruducu aşağıdakılara bölünə bilər: turşu quruducu, qələvi quruducu və neytral quruducu [2]. Silisium gel NH3, HCl, SO2 və s. quruyan neytral quruducu kimi görünür. Lakin, prinsip baxımından, silisium gel ortosilik turşu molekullarının üçölçülü molekullararası susuzlaşdırmasından ibarətdir, əsas gövdə SiO2, səthi isə hidroksil qrupları ilə zəngindir (Şəkil 1-ə bax). Silisium gelin suyu özünə çəkə bilməsinin səbəbi silisium gelin səthində olan silisium hidroksil qrupunun su molekulları ilə molekullararası hidrogen bağları yarada bilməsi və buna görə də suyu adsorbsiya etməsi və bununla da quruducu rol oynamasıdır. Rəngi dəyişən silikagelin tərkibində kobalt ionları var və adsorbsiya suyu doyma səviyyəsinə çatdıqdan sonra rəng dəyişən silisiumdakı kobalt ionları hidratlanmış kobalt ionlarına çevrilir, beləliklə mavi silikagel çəhrayı olur. Çəhrayı silisium geli 200 ℃ temperaturda bir müddət qızdırdıqdan sonra silisium gel ilə su molekulları arasındakı hidrogen bağı pozulur və rəngsiz silikagel yenidən mavi rəngə çevrilir, beləliklə silisium turşusu və silikagelin struktur diaqramı Şəkil 1-də göstərildiyi kimi təkrar istifadə oluna bilər. Beləliklə, silisium gelin səthi hidroksil qrupları ilə zəngin olduğundan, silisium gelin səthi də NH3 və HCl və s. ilə molekullararası hidrogen bağları yarada bilər və bu kimi hərəkət etmək üçün heç bir yol olmaya bilər. NH3 və HCl quruducusu və mövcud ədəbiyyatda müvafiq hesabat yoxdur. Beləliklə, nəticələr necə oldu? Bu mövzu aşağıdakı eksperimental tədqiqatı aparmışdır.
ŞEK. 1 Orto-silikat turşusu və silisium gelinin struktur diaqramı
2 Təcrübə Hissəsi
2.1 Silisium gel quruducunun tətbiq dairəsinin tədqiqi — Ammonyak Əvvəlcə rəngi dəyişmiş silisium müvafiq olaraq distillə edilmiş suya və qatılaşdırılmış ammonyak suyuna yerləşdirildi. Rəngi dəyişdirilmiş silisium gel distillə edilmiş suda çəhrayı olur; Konsentratlaşdırılmış ammonyakda rəng dəyişdirən silikon əvvəlcə qırmızıya çevrilir və yavaş-yavaş açıq mavi olur. Bu onu göstərir ki, silisium gel ammiakda NH3 və ya NH3 ·H2 O-nu udur. Şəkil 2-də göstərildiyi kimi, bərk kalsium hidroksid və ammonium xlorid bərabər şəkildə qarışdırılır və sınaq borusunda qızdırılır. Yaranan qaz qələvi əhənglə, sonra isə silisium gellə çıxarılır. Giriş istiqamətinə yaxın silikagelin rəngi daha açıq olur (Şəkil 2-də silikagel quruducunun tətbiq dairəsinin rəngi tədqiq edilmişdir — ammonyak 73, 2023-cü ilin 8-ci fazası əsasən isladılmış silikagelin rəngi ilə eynidir. konsentratlaşdırılmış ammonyak suyunda) və pH test kağızında aşkar dəyişiklik yoxdur. Bu, istehsal olunan NH3-ün pH test kağızına çatmadığını və tamamilə adsorbsiya edildiyini göstərir. Müəyyən bir müddətdən sonra istiliyi dayandırın, silisium gel topunun kiçik bir hissəsini çıxarın, distillə edilmiş suya qoyun, suya fenolftalein əlavə edin, məhlul qırmızı rəngə çevrilir, bu silikagelin güclü adsorbsiya təsirinə malik olduğunu göstərir. NH3, distillə edilmiş su ayrıldıqdan sonra NH3 distillə edilmiş suya daxil olur, məhlul qələvidir. Buna görə də, silisium gel NH3 üçün güclü adsorbsiyaya malik olduğundan, silikon qurutma agenti NH3-ü quruda bilməz.
ŞEK. 2 Silikagel quruducu - ammonyakın tətbiq dairəsinin tədqiqi
2.2 Silikagel quruducunun tətbiq dairəsinin tədqiqi - hidrogen xlorid bərk komponentlərdə yaş suyu çıxarmaq üçün əvvəlcə NaCl bərk maddələrini spirt lampasının alovu ilə yandırır. Nümunə soyuduqdan sonra çoxlu sayda qabarcıq əmələ gətirmək üçün NaCl bərk maddələrinə konsentratlaşdırılmış sulfat turşusu əlavə edilir. Yaranan qaz tərkibində silisium gel olan sferik qurutma borusuna keçirilir və qurutma borusunun ucuna yaş pH test kağızı qoyulur. Ön tərəfdəki silika gel açıq yaşıl rəngə çevrilir və yaş pH test kağızında heç bir açıq dəyişiklik yoxdur (Şəkil 3-ə baxın). Bu, yaranan HCl qazının silisium gel tərəfindən tamamilə adsorbsiya edildiyini və havaya çıxmadığını göstərir.
Şəkil 3 Silisium gel quruducu - hidrogen xloridin tətbiqi sahəsinə dair tədqiqat
Silisium gel HCl-ni adsorbsiya etdi və açıq yaşıl rəngə çevrildi və sınaq borusuna yerləşdirildi. Yeni mavi silikageli sınaq borusuna qoyun, konsentratlaşdırılmış xlorid turşusu əlavə edin, silisium gel də açıq yaşıl rəngə çevrilir, iki rəng əsasən eynidir. Bu, sferik qurutma borusunda silisium gel qazını göstərir.
2.3 Silisium gel quruducunun tətbiq dairəsinin tədqiqi — kükürd dioksid Natrium tiosulfat bərk maddə ilə qarışıq konsentratlaşdırılmış sulfat turşusu (Şəkil 4-ə bax), NA2s2 O3 +H2 SO4 ==Na2 SO4 +SO2 ↑+S↓+H2 O; Yaranan qaz tərkibində rəngi dəyişmiş silikagel olan quruducu borudan keçirilir, rəngsiz silikagel açıq mavi-yaşıl olur və yaş sınaq kağızının sonundakı mavi lakmus kağızı əhəmiyyətli dərəcədə dəyişmir, bu da yaranan SO2 qazının silisium gel topu tərəfindən tamamilə adsorbsiya edilmişdir və qaça bilməz.
ŞEK. 4 Silikagel quruducu - kükürd dioksidin tətbiq dairəsinin tədqiqi
Silika gel topunun bir hissəsini çıxarın və distillə edilmiş suya qoyun. Tam balansdan sonra mavi lakmus kağızına az miqdarda su damcısı götürün. Sınaq kağızı əhəmiyyətli dərəcədə dəyişmir, bu, distillə edilmiş suyun silisium geldən SO2-ni desorbsiya etmək üçün kifayət etmədiyini göstərir. Silikagel topunun kiçik bir hissəsini götürün və sınaq borusunda qızdırın. Sınaq borusunun ağzına nəm mavi lakmus kağızı qoyun. Mavi lakmus kağızı qırmızıya çevrilir, bu onu göstərir ki, qızdırılan SO2 qazı silikagel topundan desorbsiya edir və beləliklə, lakmus kağızı qırmızıya çevrilir. Yuxarıdakı təcrübələr göstərir ki, silisium gel həm də SO2 və ya H2 SO3 üzərində güclü adsorbsiya effektinə malikdir və SO2 qazını qurutmaq üçün istifadə edilə bilməz.
2.4 Silisium gel quruducunun - Karbon qazının tətbiq dairəsinin tədqiqi
Şəkil 5-də göstərildiyi kimi, fenolftalein damcılayan natrium bikarbonat məhlulu açıq qırmızı görünür. Natrium bikarbonat bərki qızdırılır və yaranan qaz qarışığı qurudulmuş silikagel kürələri olan qurutma borusundan keçirilir. Silikagel əhəmiyyətli dərəcədə dəyişmir və fenolftalein ilə damcılanan natrium bikarbonat HCl-ni adsorbsiya edir. Rəngsiz silikageldəki kobalt ionu Cl- ilə yaşıl məhlul əmələ gətirir və tədricən rəngsizləşir, bu da sferik qurutma borusunun sonunda CO2 qaz kompleksinin olduğunu göstərir. Açıq-yaşıl silikagel distillə edilmiş suya yerləşdirilir və rəngi dəyişmiş silikagel tədricən sarıya çevrilir ki, bu da silikagel tərəfindən adsorbsiya olunan HCl-nin suya desorbsiya edildiyini göstərir. Az miqdarda yuxarı sulu məhlul ağ çöküntü yaratmaq üçün nitrat turşusu ilə turşulaşdırılmış gümüş nitrat məhluluna əlavə edildi. Geniş diapazonlu pH test kağızının üzərinə az miqdarda sulu məhlul tökülür və sınaq kağızı qırmızıya çevrilir, bu məhlulun turşu olduğunu göstərir. Yuxarıdakı təcrübələr göstərir ki, silisium gel HCl qazına güclü adsorbsiyaya malikdir. HCl güclü qütblü molekuldur və silisium gelinin səthindəki hidroksil qrupu da güclü qütblüdür və ikisi molekullararası hidrogen bağları yarada bilər və ya nisbətən güclü dipol dipol qarşılıqlı təsirinə malik ola bilər, nəticədə silisiumun səthi arasında nisbətən güclü molekullararası qüvvə yaranır. gel və HCl molekulları var, buna görə də silisium gel HCl-nin güclü adsorbsiyasına malikdir. Buna görə də, silikon qurutma agenti HCl escape qurutmaq üçün istifadə edilə bilməz, yəni silisium gel CO2 adsorbsiya etmir və ya yalnız qismən CO2 adsorbsiya edir.
ŞEK. 5 Silisium gel quruducu - karbon qazının tətbiq dairəsinin tədqiqi
Silikagelin karbon qazına adsorbsiyasını sübut etmək üçün aşağıdakı təcrübələr davam etdirilir. Sferik qurutma borusunda olan silika gel topu çıxarıldı və hissə fenolftalein damcılayan natrium bikarbonat məhluluna bölündü. Natrium bikarbonat məhlulu rəngsizləşdirildi. Bu onu göstərir ki, silisium gel karbon dioksidi adsorbsiya edir və suda həll edildikdən sonra karbon dioksid natrium bikarbonat məhluluna desorblanır və natrium bikarbonat məhlulunun solmasına səbəb olur. Silikon topun qalan hissəsi quru sınaq borusunda qızdırılır və yaranan qaz fenolftalein damcısı ilə natrium bikarbonat məhluluna verilir. Tezliklə natrium bikarbonat məhlulu açıq qırmızıdan rəngsizə dəyişir. Bu da onu göstərir ki, silisium gel hələ də CO2 qazı üçün adsorbsiya qabiliyyətinə malikdir. Bununla belə, silisium gelinin CO2 üzərində adsorbsiya qüvvəsi HCl, NH3 və SO2 ilə müqayisədə çox kiçikdir və Şəkil 5-də göstərilən təcrübə zamanı karbon dioksid yalnız qismən adsorbsiya oluna bilər. silisium gel və CO2 molekullararası hidrogen bağları əmələ gətirir Si — OH... O =C. CO2-nin mərkəzi karbon atomu sp hibrid, silisium atomu isə sp3 hibrid olduğundan, xətti CO2 molekulu silisium gelin səthi ilə yaxşı əməkdaşlıq etmir, nəticədə silisium gelinin karbon dioksid üzərində adsorbsiya qüvvəsi nisbətən yüksəkdir. kiçik.
3. Dörd qazın suda həllolma qabiliyyəti ilə silisium gelin səthində adsorbsiya vəziyyəti arasında müqayisə Yuxarıdakı eksperimental nəticələrdən göründüyü kimi, silisium gel ammiak, hidrogen xlorid və kükürd dioksid üçün güclü adsorbsiya qabiliyyətinə malikdir, lakin karbon qazı üçün kiçik bir adsorbsiya qüvvəsi (Cədvəl 1-ə bax). Bu, dörd qazın suda həll olma qabiliyyətinə bənzəyir. Bunun səbəbi ola bilər ki, su molekullarının tərkibində hidroksi-OH var və silisium gelinin səthi də hidroksillə zəngindir, ona görə də bu dörd qazın suda həllolma qabiliyyəti onun silikagelin səthində adsorbsiyasına çox oxşardır. Ammonyak qazı, hidrogen xlorid və kükürd dioksidin üç qazı arasında kükürd dioksidi suda ən kiçik həll qabiliyyətinə malikdir, lakin silisium gel tərəfindən adsorbsiya edildikdən sonra üç qaz arasında desorbsiya edilməsi ən çətin olanıdır. Silika gel ammonyak və hidrogen xlorid adsorbsiya etdikdən sonra onu həlledici su ilə desorbsiya etmək olar. Kükürd dioksid qazı silisium gel tərəfindən adsorbsiya edildikdən sonra onu su ilə desorbsiya etmək çətindir və silikagelin səthindən desorbsiyaya qədər qızdırılmalıdır. Buna görə də silisium gel səthində dörd qazın adsorbsiyasını nəzəri olaraq hesablamaq lazımdır.
4 Silikagel və dörd qaz arasında qarşılıqlı təsirin nəzəri hesablanması sıxlıq funksional nəzəriyyəsi (DFT) çərçivəsində kvantlaşdırma ORCA proqramında [4] təqdim edilmişdir. DFT D/B3LYP/Def2 TZVP metodu müxtəlif qazlar və silikagel arasında qarşılıqlı təsir rejimlərini və enerjiləri hesablamaq üçün istifadə edilmişdir. Hesablamanı sadələşdirmək üçün silika gel bərk maddələri tetramerik ortosilik turşu molekulları ilə təmsil olunur. Hesablama nəticələri göstərir ki, H2 O, NH3 və HCl silisium gelin səthində hidroksil qrupu ilə hidrogen bağları yarada bilər (bax Şəkil 6a ~ c). Onlar silikagel səthində nisbətən güclü bağlama enerjisinə malikdirlər (Cədvəl 2-ə baxın) və silikagel səthində asanlıqla adsorbsiya olunurlar. NH3 və HCl-nin bağlanma enerjisi H2 O-nun enerjisinə bənzədiyi üçün suyun yuyulması bu iki qaz molekulunun desorbsiyasına səbəb ola bilər. SO2 molekulu üçün onun bağlanma enerjisi cəmi -17,47 kJ/mol təşkil edir ki, bu da yuxarıdakı üç molekuldan xeyli kiçikdir. Lakin təcrübə təsdiq etdi ki, SO2 qazı silisium gelə asanlıqla adsorbsiya olunur və hətta yuyulma onu desorbsiya edə bilməz və yalnız qızdırma SO2-nin silikagelin səthindən çıxmasına səbəb ola bilər. Buna görə də biz təxmin etdik ki, SO2 çox güman ki, silisium gelin səthində H2 O ilə birləşərək H2 SO3 fraksiyalarını əmələ gətirir. Şəkil 6e göstərir ki, H2 SO3 molekulu eyni vaxtda silikagelin səthində hidroksil və oksigen atomları ilə üç hidrogen bağı əmələ gətirir və bağlanma enerjisi -76,63 kJ/mol qədər yüksəkdir, bu da SO2-nin nə üçün adsorbsiya olunduğunu izah edir. silisium geli su ilə atmaq çətindir. Qeyri-qütblü CO2 silisium gel ilə ən zəif bağlanma qabiliyyətinə malikdir və silikagel tərəfindən yalnız qismən adsorbsiya oluna bilər. H2 CO3 və silikagelin bağlanma enerjisi də -65,65 kJ/mol-a çatsa da, CO2-nin H2 CO3-ə çevrilmə sürəti yüksək olmadığından CO2-nin adsorbsiya sürəti də azalmışdır. Yuxarıdakı məlumatlardan görünür ki, qaz molekulunun polaritesi onun silisium gel tərəfindən adsorbsiya oluna biləcəyini mühakimə etmək üçün yeganə kriteriya deyil və silikagel səthi ilə yaranan hidrogen bağı onun sabit adsorbsiyasının əsas səbəbidir.
Silikagelin tərkibi SiO2 ·nH2 O-dur, silikagelin böyük səth sahəsi və səthdəki zəngin hidroksil qrupu silisium geli əla performansa malik toksik olmayan quruducu kimi istifadə edə bilir və istehsalda və həyatda geniş istifadə olunur. . Bu yazıda eksperimentin iki aspekti və nəzəri hesablama ilə təsdiq edilmişdir ki, silisium gel molekullararası hidrogen bağları vasitəsilə NH3, HCl, SO2, CO2 və digər qazları adsorbsiya edə bilər, ona görə də silisium gel bu qazları qurutmaq üçün istifadə edilə bilməz. Silikagelin tərkibi SiO2 ·nH2 O-dur, silikagelin böyük səth sahəsi və səthdəki zəngin hidroksil qrupu silisium geli əla performansa malik toksik olmayan quruducu kimi istifadə edə bilir və istehsalda və həyatda geniş istifadə olunur. . Bu yazıda eksperimentin iki aspekti və nəzəri hesablama ilə təsdiq edilmişdir ki, silisium gel molekullararası hidrogen bağları vasitəsilə NH3, HCl, SO2, CO2 və digər qazları adsorbsiya edə bilər, ona görə də silisium gel bu qazları qurutmaq üçün istifadə edilə bilməz.
３
ŞEK. 6 DFT üsulu ilə hesablanmış müxtəlif molekullar və silikagel səthi arasında qarşılıqlı təsir rejimləri
Göndərmə vaxtı: 14 noyabr 2023-cü il
