In produksie en lewe kan silikagel gebruik word om N2, lug, waterstof, aardgas [1] ensovoorts te droog.Volgens suur en alkali kan droogmiddel verdeel word in: suur droogmiddel, alkaliese droogmiddel en neutrale droogmiddel [2].Silikagel blyk 'n neutrale droër te wees wat blykbaar NH3, HCl, SO2, ens droog word. Uit die beginseloogpunt is silikagel egter saamgestel uit driedimensionele intermolekulêre dehidrasie van ortokiselzuurmolekules, die hoofliggaam is SiO2, en die oppervlak is ryk aan hidroksielgroepe (sien Figuur 1).Die rede waarom silikagel water kan absorbeer, is dat die silikonhidroksielgroep op die oppervlak van silikagel intermolekulêre waterstofbindings met watermolekules kan vorm, sodat dit water kan adsorbeer en dus 'n droogrol speel.Die kleurveranderende silikagel bevat kobaltione, en nadat die adsorpsiewater versadiging bereik het, word die kobaltione in die kleurveranderende silikagel gehidreerde kobaltione, sodat die blou silikagel pienk word.Nadat die pienk silikagel vir 'n tydperk by 200 ℃ verhit is, breek die waterstofbinding tussen die silikagel en watermolekules, en die verkleurde silikagel sal weer blou word, sodat die struktuurdiagram van die silikagel en silikagel kan Dus, aangesien die oppervlak van silikagel ryk is aan hidroksielgroepe, kan die oppervlak van silikagel ook intermolekulêre waterstofbindings met NH3 en HCl, ens. vorm, en daar is dalk geen manier om op te tree as 'n droogmiddel van NH3 en HCl, en daar is geen relevante verslag in die bestaande literatuur nie.So wat was die resultate?Hierdie onderwerp het die volgende eksperimentele navorsing gedoen.
FIG.1 Struktuurdiagram van orto-siliciumsuur en silikagel
2 Eksperiment Deel
2.1 Verkenning van die omvang van toediening van silikagel-droogmiddel — Ammoniak Eerstens is die verkleurde silikagel onderskeidelik in gedistilleerde water en gekonsentreerde ammoniakwater geplaas.Verkleurde silikagel word pienk in gedistilleerde water;In gekonsentreerde ammoniak word die kleurveranderende silikoon eers rooi en stadig ligblou.Dit wys dat silikagel NH3 of NH3 ·H2 O in ammoniak kan absorbeer.Soos getoon in Figuur 2, word soliede kalsiumhidroksied en ammoniumchloried eweredig gemeng en in 'n proefbuis verhit.Die resulterende gas word verwyder deur alkalikalk en dan deur silikagel.Die kleur van die silikagel naby die ingangsrigting word ligter (die kleur van die toedieningsomvang van die silikagel-droogmiddel in Figuur 2 word ondersoek — ammoniak 73, die 8ste fase van 2023 is basies dieselfde as die kleur van die silikagel wat geweek is in gekonsentreerde ammoniakwater), en die pH-toetspapier het geen duidelike verandering nie.Dit dui aan dat die geproduseerde NH3 nie die pH-toetspapier bereik het nie, en dit is heeltemal geadsorbeer.Na 'n rukkie, stop die verhitting, haal 'n klein deel van die silikagelbal uit, sit dit in die gedistilleerde water, voeg fenolftaleïen by die water, die oplossing word rooi, wat aandui dat die silikagel 'n sterk adsorpsie-effek het op NH3, nadat die gedistilleerde water losgemaak is, gaan NH3 die gedistilleerde water binne, die oplossing is alkalies.Daarom, omdat die silikagel 'n sterk adsorpsie vir NH3 het, kan die silikoondroogmiddel nie NH3 droog word nie.
FIG.2 Verkenning van die omvang van toediening van silikagel-droogmiddel — ammoniak
2.2 Verkenning van die omvang van toediening van silikagel-droogmiddel — waterstofchloried verbrand eers NaCl-vaste stowwe met alkohollampvlam om die nat water in die vaste komponente te verwyder.Nadat die monster afgekoel is, word gekonsentreerde swaelsuur by NaCl vaste stowwe gevoeg om onmiddellik 'n groot aantal borrels te produseer.Die gegenereerde gas word in 'n sferiese droogbuis wat silikagel bevat, en 'n nat pH-toetspapier word aan die einde van die droogbuis geplaas.Die silikagel aan die voorkant word liggroen, en die nat pH-toetspapier het geen duidelike verandering nie (sien Figuur 3).Dit wys dat die gegenereerde HCl-gas heeltemal deur silikagel geadsorbeer word en nie in die lug ontsnap nie.
Figuur 3 Navorsing oor die omvang van toediening van silikagel-droogmiddel — waterstofchloried
Die silikagel het HCl geadsorbeer en liggroen geword, is in 'n proefbuis geplaas.Sit die nuwe blou silikagel in die proefbuis, voeg gekonsentreerde soutsuur by, silikagel word ook liggroen kleur, die twee kleure is basies dieselfde.Dit wys die silikagelgas in die sferiese droogbuis.
2.3 Verkenning van die toepassingsbestek van silikagel-droogmiddel — swaeldioksied Gemengde gekonsentreerde swaelsuur met natriumtiosulfaat vaste stof (sien Figuur 4), NA2s2 O3 +H2 SO4 ==Na2 SO4 +SO2 ↑+S↓+H2 O;Die gegenereerde gas word deur die droogbuis wat die verkleurde silikagel bevat gevoer, die verkleurde silikagel word ligblou-groen, en die blou lakmoespapier aan die einde van die nat toetspapier verander nie beduidend nie, wat aandui dat die gegenereerde SO2-gas het is heeltemal geadsorbeer deur die silikagelbal en kan nie ontsnap nie.
FIG.4 Verkenning van die toepassingsgebied van silikagel-droogmiddel - swaeldioksied
Haal 'n deel van die silikagelbal af en sit dit in gedistilleerde water.Na volle balans, neem 'n klein hoeveelheid waterdruppel op die blou lakmoespapier.Die toetspapier verander nie noemenswaardig nie, wat aandui dat gedistilleerde water nie genoeg is om gedesorbeerde SO2 uit die silikagel nie.Neem 'n klein deel van die silikagelbal en verhit dit in die proefbuis.Sit nat blou lakmoespapier by die mond van die proefbuis.Die blou lakmoespapier word rooi, wat aandui dat verhitting SO2-gas uit die silikagelbal gedesorbeer maak, en sodoende die lakmoespapier rooi laat word.Bogenoemde eksperimente toon dat silikagel ook 'n sterk adsorpsie-effek op SO2 of H2SO3 het, en nie vir die droging van SO2-gas gebruik kan word nie.
2.4 Verkenning van die omvang van toediening van silikagel-droogmiddel - Koolstofdioksied
Soos getoon in Figuur 5, lyk natriumbikarbonaatoplossing wat fenolftaleïen drup ligrooi.Die natriumbikarbonaat vaste stof word verhit en die resulterende gasmengsel word deur 'n droogbuis gevoer wat gedroogde silikagel-sfere bevat.Die silikagel verander nie noemenswaardig nie en die natriumbikarbonaat wat met fenolftaleïen drup, adsorbeer die HCl.Die kobaltioon in die verkleurde silikagel vorm 'n groen oplossing met Cl- en word geleidelik kleurloos, wat aandui dat daar 'n CO2-gaskompleks aan die einde van die sferiese droogbuis is.Die liggroen silikagel word in gedistilleerde water geplaas, en die verkleurde silikagel verander geleidelik na geel, wat aandui dat die HCl geadsorbeer deur silikagel in die water gedesorbeer is.'n Klein hoeveelheid van die boonste waterige oplossing is by die silwernitraatoplossing gevoeg wat deur salpetersuur aangesuur is om 'n wit neerslag te vorm.'n Klein hoeveelheid waterige oplossing word op 'n wye reeks pH-toetspapier laat val, en die toetspapier word rooi, wat aandui dat die oplossing suur is.Bogenoemde eksperimente toon dat silikagel 'n sterk adsorpsie aan HCl-gas het.HCl is 'n sterk polêre molekule, en die hidroksielgroep op die oppervlak van silikagel het ook 'n sterk polariteit, en die twee kan intermolekulêre waterstofbindings vorm of relatief sterk dipool dipool interaksie hê, wat lei tot 'n relatief sterk intermolekulêre krag tussen die oppervlak van silika gel- en HCl-molekules, dus het silikagel 'n sterk adsorpsie van HCl.Daarom kan silikoondroogmiddel nie gebruik word om HCl-ontsnapping te droog nie, dit wil sê die silikagel adsorbeer nie CO2 nie of adsorbeer slegs CO2 gedeeltelik.
FIG.5 Verkenning van die omvang van toediening van silikagel-droogmiddel - koolstofdioksied
Om die adsorpsie van silikagel aan koolstofdioksiedgas te bewys, word die volgende eksperimente voortgesit.Die silikagelbal in die sferiese droogbuis is verwyder, en die deel is verdeel in natriumbikarbonaatoplossing wat drup van fenolftaleïen.Die natriumbikarbonaatoplossing is verkleur.Dit wys dat silikagel koolstofdioksied adsorbeer, en nadat dit in water oplosbaar is, desorbeer koolstofdioksied in natriumbikarbonaatoplossing, wat natriumbikarbonaatoplossing laat vervaag.Die oorblywende deel van die silikoonbal word in 'n droë proefbuis verhit, en die resulterende gas word in 'n oplossing van natriumbikarbonaat wat met fenolftaleïen drup.Binnekort verander die natriumbikarbonaatoplossing van ligrooi na kleurloos.Dit wys ook dat silikagel steeds adsorpsiekapasiteit vir CO2-gas het.Die adsorpsiekrag van silikagel op CO2 is egter baie kleiner as dié van HCl, NH3 en SO2, en koolstofdioksied kan slegs gedeeltelik geadsorbeer word tydens die eksperiment in Figuur 5. Die rede waarom silikagel CO2 gedeeltelik kan adsorbeer, is waarskynlik dat silikagel en CO2 intermolekulêre waterstofbindings Si — OH… O =C vorm.Omdat die sentrale koolstofatoom van CO2 sp-hibried is, en die silikonatoom in silikagel sp3-hibried is, werk die lineêre CO2-molekule nie goed saam met die oppervlak van silikagel nie, wat daartoe lei dat die adsorpsiekrag van silikagel op koolstofdioksied relatief is klein.
3.Vergelyking tussen die oplosbaarheid van die vier gasse in water en die adsorpsiestatus op die oppervlak van silikagel Uit bogenoemde eksperimentele resultate kan gesien word dat silikagel 'n sterk adsorpsiekapasiteit vir ammoniak, waterstofchloried en swaeldioksied het, maar 'n klein adsorpsiekrag vir koolstofdioksied (sien Tabel 1).Dit is soortgelyk aan die oplosbaarheid van die vier gasse in water.Dit kan wees omdat watermolekules hidroksi-OH bevat, en die oppervlak van silikagel is ook ryk aan hidroksiel, dus is die oplosbaarheid van hierdie vier gasse in water baie soortgelyk aan die adsorpsie daarvan op die oppervlak van silikagel.Onder die drie gasse van ammoniakgas, waterstofchloried en swaeldioksied, het swaweldioksied die kleinste oplosbaarheid in water, maar nadat dit deur silikagel geadsorbeer is, is dit die moeilikste om te desorpsie onder die drie gasse.Nadat die silikagel ammoniak en waterstofchloried geadsorbeer het, kan dit met oplosmiddelwater gedesorbeer word.Nadat die swaeldioksiedgas deur silikagel geadsorbeer is, is dit moeilik om met water te desorpsie, en moet dit verhit word tot desorpsie vanaf die oppervlak van silikagel.Daarom moet die adsorpsie van vier gasse op die oppervlak van silikagel teoreties bereken word.
4 Teoretiese berekening van die interaksie tussen silikagel en vier gasse word aangebied in die kwantumisering ORCA sagteware [4] onder die raamwerk van digtheid funksionele teorie (DFT).Die DFT D/B3LYP/Def2 TZVP-metode is gebruik om die interaksiemodusse en energieë tussen verskillende gasse en silikagel te bereken.Om die berekening te vereenvoudig, word silikagel vaste stowwe voorgestel deur tetrameriese ortokiselzuurmolekules.Die berekeningsresultate toon dat H2 O, NH3 en HCl almal waterstofbindings met die hidroksielgroep op die oppervlak van silikagel kan vorm (sien Figuur 6a ~ c).Hulle het relatief sterk bindingsenergie op die silikagel-oppervlak (sien Tabel 2) en word maklik op die silikagel-oppervlak geadsorbeer.Aangesien die bindingsenergie van NH3 en HCl soortgelyk is aan dié van H2O, kan waterspoeling tot desorpsie van hierdie twee gasmolekules lei.Vir die SO2-molekule is sy bindingsenergie slegs -17,47 kJ/mol, wat baie kleiner is as die bogenoemde drie molekules.Die eksperiment het egter bevestig dat SO2-gas maklik op die silikagel geadsorbeer word, en selfs wasgoed kan dit nie desorbeer nie, en slegs verhitting kan SO2 van die oppervlak van die silikagel laat ontsnap.Daarom het ons geraai dat SO2 waarskynlik met H2O op die oppervlak van silikagel sal kombineer om H2SO3-fraksies te vorm.Figuur 6e toon dat die H2SO3-molekule drie waterstofbindings met die hidroksiel- en suurstofatome op dieselfde tyd op die oppervlak van die silikagel vorm, en die bindingsenergie is so hoog as -76.63 kJ/mol, wat verklaar waarom SO2 op geadsorbeer word op die silikagel is moeilik om met water te ontwyk.Nie-polêre CO2 het die swakste bindingsvermoë met silikagel, en kan slegs gedeeltelik deur silikagel geadsorbeer word.Alhoewel die bindingsenergie van H2 CO3 en silikagel ook -65.65 kJ/mol bereik het, was die omskakelingstempo van CO2 na H2CO3 nie hoog nie, dus is die adsorpsietempo van CO2 ook verminder.Uit die bogenoemde data kan gesien word dat die polariteit van die gasmolekule nie die enigste maatstaf is om te oordeel of dit deur silikagel geadsorbeer kan word nie, en die waterstofbinding wat met die silikageloppervlak gevorm word, is die hoofrede vir sy stabiele adsorpsie.
Die samestelling van silikagel is SiO2 ·nH2 O, die groot oppervlak van silikagel en die ryk hidroksielgroep op die oppervlak maak dat silikagel as 'n nie-giftige droër met uitstekende werkverrigting gebruik kan word, en word wyd gebruik in produksie en lewe. .In hierdie vraestel word dit uit twee aspekte van eksperiment en teoretiese berekening bevestig dat silikagel NH3, HCl, SO2, CO2 en ander gasse deur intermolekulêre waterstofbindings kan adsorbeer, dus kan silikagel nie gebruik word om hierdie gasse te droog nie.Die samestelling van silikagel is SiO2 ·nH2 O, die groot oppervlak van silikagel en die ryk hidroksielgroep op die oppervlak maak dat silikagel as 'n nie-giftige droër met uitstekende werkverrigting gebruik kan word, en word wyd gebruik in produksie en lewe. .In hierdie vraestel word dit uit twee aspekte van eksperiment en teoretiese berekening bevestig dat silikagel NH3, HCl, SO2, CO2 en ander gasse deur intermolekulêre waterstofbindings kan adsorbeer, dus kan silikagel nie gebruik word om hierdie gasse te droog nie.
３
FIG.6 Interaksiemodusse tussen verskillende molekules en silikageloppervlak bereken deur DFT metode
Postyd: 14 Nov 2023
