Nella produzione e nella vita, il gel di silice può essere utilizzato per essiccare N2, aria, idrogeno, gas naturale [1] e così via. A seconda dell'acido e degli alcali, l'essiccante può essere suddiviso in: essiccante acido, essiccante alcalino ed essiccante neutro [2]. Il gel di silice sembra essere un essiccatore neutro che sembra essiccare NH3, HCl, SO2, ecc. Tuttavia, dal punto di vista principale, il gel di silice è composto da disidratazione intermolecolare tridimensionale di molecole di acido ortosilicico, il corpo principale è SiO2, e la superficie è ricca di gruppi idrossilici (vedi Figura 1). Il motivo per cui il gel di silice può assorbire acqua è che il gruppo idrossile di silicio sulla superficie del gel di silice può formare legami idrogeno intermolecolari con le molecole d'acqua, quindi può assorbire acqua e quindi svolgere un ruolo essiccante. Il gel di silice che cambia colore contiene ioni di cobalto e, dopo che l'acqua di adsorbimento raggiunge la saturazione, gli ioni di cobalto nel gel di silice che cambia colore diventano ioni di cobalto idratato, in modo che il gel di silice blu diventi rosa. Dopo aver riscaldato il gel di silice rosa a 200 ℃ per un periodo di tempo, il legame idrogeno tra il gel di silice e le molecole d'acqua si rompe e il gel di silice scolorito diventerà nuovamente blu, in modo che il diagramma della struttura dell'acido silicico e del gel di silice possa essere riutilizzato come mostrato nella Figura 1. Quindi, poiché la superficie del gel di silice è ricca di gruppi idrossilici, la superficie del gel di silice può anche formare legami idrogeno intermolecolari con NH3 e HCl, ecc., e potrebbe non esserci modo di agire come un essiccante di NH3 e HCl e non esiste alcun rapporto pertinente nella letteratura esistente. Quindi quali sono stati i risultati? Questo soggetto ha svolto le seguenti ricerche sperimentali.
FICO. 1 Schema strutturale dell'acido orto-silicico e del gel di silice
2 Parte dell'esperimento
2.1 Esplorazione dell'ambito di applicazione dell'essiccante di gel di silice - Ammoniaca Innanzitutto, il gel di silice scolorito è stato posto rispettivamente in acqua distillata e acqua di ammoniaca concentrata. Il gel di silice scolorito diventa rosa in acqua distillata; Nell'ammoniaca concentrata, il silicone che cambia colore diventa prima rosso e poi diventa lentamente azzurro. Ciò dimostra che il gel di silice può assorbire NH3 o NH3 ·H2 O nell'ammoniaca. Come mostrato nella Figura 2, l'idrossido di calcio solido e il cloruro di ammonio vengono miscelati uniformemente e riscaldati in una provetta. Il gas risultante viene rimosso mediante calce alcalina e poi mediante gel di silice. Il colore del gel di silice vicino alla direzione di ingresso diventa più chiaro (viene esplorato il colore dell'ambito di applicazione dell'essiccante del gel di silice nella Figura 2: ammoniaca 73, l'ottava fase del 2023 è sostanzialmente uguale al colore del gel di silice imbevuto in acqua ammoniacale concentrata) e la cartina reattiva del pH non presenta cambiamenti evidenti. Ciò indica che l'NH3 prodotto non ha raggiunto la cartina per il test del pH ed è stato completamente adsorbito. Dopo un periodo di tempo, interrompere il riscaldamento, estrarre una piccola parte della pallina di gel di silice, immergerla nell'acqua distillata, aggiungere la fenolftaleina all'acqua, la soluzione diventa rossa, indicando che il gel di silice ha un forte effetto di adsorbimento su NH3, dopo che l'acqua distillata si è staccata, l'NH3 entra nell'acqua distillata, la soluzione è alcalina. Pertanto, poiché il gel di silice ha un forte assorbimento di NH3, l'agente essiccante siliconico non può essiccare NH3.
FICO. 2 Esplorazione dell'ambito di applicazione dell'essiccante gel di silice: ammoniaca
2.2 Esplorazione dell'ambito di applicazione dell'essiccante al gel di silice: l'acido cloridrico brucia innanzitutto i solidi NaCl con la fiamma di una lampada ad alcol per rimuovere l'acqua umida nei componenti solidi. Dopo che il campione si è raffreddato, l'acido solforico concentrato viene aggiunto ai solidi NaCl per produrre immediatamente un gran numero di bolle. Il gas generato viene fatto passare in un tubo di essiccazione sferico contenente gel di silice e all'estremità del tubo di essiccazione viene posizionata una carta reattiva per il test del pH bagnata. Il gel di silice nella parte anteriore diventa verde chiaro e la carta reattiva per il pH bagnata non presenta cambiamenti evidenti (vedere Figura 3). Ciò dimostra che il gas HCl generato viene completamente assorbito dal gel di silice e non fuoriesce nell'aria.
Figura 3 Ricerca sull'ambito di applicazione dell'essiccante gel di silice: acido cloridrico
Il gel di silice adsorbito HCl e diventato verde chiaro è stato posto in una provetta. Metti il nuovo gel di silice blu nella provetta, aggiungi acido cloridrico concentrato, anche il gel di silice diventa di colore verde chiaro, i due colori sono sostanzialmente gli stessi. Questo mostra il gas di gel di silice nel tubo di essiccazione sferico.
2.3 Esplorazione dell'ambito di applicazione dell'essiccante gel di silice - anidride solforosa Acido solforico concentrato misto con tiosolfato di sodio solido (vedere Figura 4), NA2s2 O3 +H2 SO4 ==Na2 SO4 +SO2 ↑+S↓+H2 O; Il gas generato viene fatto passare attraverso il tubo di asciugatura contenente il gel di silice scolorito, il gel di silice scolorito diventa azzurro-verde e la cartina di tornasole blu all'estremità della carta reattiva bagnata non cambia in modo significativo, indicando che il gas SO2 generato ha stato completamente assorbito dalla sfera di gel di silice e non può fuoriuscire.
FICO. 4 Esplorazione dell'ambito di applicazione dell'essiccante gel di silice: anidride solforosa
Togliere una parte della pallina di gel di silice e metterla in acqua distillata. Dopo il bilanciamento completo, prendi una piccola quantità di goccia d'acqua sulla cartina di tornasole blu. La carta reattiva non cambia in modo significativo, indicando che l'acqua distillata non è sufficiente per desorbire SO2 dal gel di silice. Prendi una piccola parte della pallina di gel di silice e scaldala nella provetta. Metti una cartina di tornasole blu bagnata all'imboccatura della provetta. La cartina di tornasole blu diventa rossa, indicando che il riscaldamento fa desorbire il gas SO2 dalla sfera di gel di silice, facendo così diventare rossa la cartina di tornasole. Gli esperimenti di cui sopra mostrano che il gel di silice ha anche un forte effetto di adsorbimento su SO2 o H2 SO3 e non può essere utilizzato per essiccare il gas SO2.
2.4 Esplorazione dell'ambito di applicazione dell'essiccante al gel di silice - Anidride carbonica
Come mostrato nella Figura 5, la soluzione di bicarbonato di sodio che gocciola fenolftaleina appare di colore rosso chiaro. Il solido di bicarbonato di sodio viene riscaldato e la miscela di gas risultante viene fatta passare attraverso un tubo di essiccazione contenente sfere di gel di silice essiccate. Il gel di silice non cambia in modo significativo e il bicarbonato di sodio gocciolato con fenolftaleina adsorbe l'HCl. Lo ione cobalto nel gel di silice scolorito forma una soluzione verde con Cl- e diventa gradualmente incolore, indicando la presenza di un complesso gassoso CO2 all'estremità del tubo di essiccazione sferico. Il gel di silice verde chiaro viene posto in acqua distillata e il gel di silice scolorito vira gradualmente al giallo, indicando che l'HCl adsorbito dal gel di silice è stato desorbito nell'acqua. Una piccola quantità della soluzione acquosa superiore è stata aggiunta alla soluzione di nitrato d'argento acidificata con acido nitrico per formare un precipitato bianco. Una piccola quantità di soluzione acquosa viene fatta cadere su un'ampia gamma di cartine reattive per pH e la cartina reattiva diventa rossa, indicando che la soluzione è acida. Gli esperimenti di cui sopra mostrano che il gel di silice ha un forte assorbimento del gas HCl. L'HCl è una molecola fortemente polare e anche il gruppo ossidrile sulla superficie del gel di silice ha una forte polarità e i due possono formare legami idrogeno intermolecolari o avere un'interazione dipolo-dipolo relativamente forte, risultando in una forza intermolecolare relativamente forte tra la superficie della silice gel e molecole di HCl, quindi il gel di silice ha un forte assorbimento di HCl. Pertanto, l'agente essiccante siliconico non può essere utilizzato per asciugare la fuga di HCl, ovvero il gel di silice non assorbe CO2 o assorbe solo parzialmente CO2.
FICO. 5 Esplorazione dell'ambito di applicazione dell'essiccante gel di silice: anidride carbonica
Per dimostrare l'adsorbimento del gel di silice nel gas di anidride carbonica, vengono continuati i seguenti esperimenti. La sfera di gel di silice nel tubo di essiccazione sferico è stata rimossa e la parte è stata divisa in una soluzione di bicarbonato di sodio che gocciolava fenolftaleina. La soluzione di bicarbonato di sodio era decolorata. Ciò dimostra che il gel di silice assorbe l'anidride carbonica e, dopo essere solubile in acqua, l'anidride carbonica si desorbisce nella soluzione di bicarbonato di sodio, facendo sbiadire la soluzione di bicarbonato di sodio. La restante parte della pallina di silicone viene riscaldata in una provetta asciutta e il gas risultante viene fatto passare in una soluzione di bicarbonato di sodio grondante di fenolftaleina. Ben presto la soluzione di bicarbonato di sodio cambia da rosso chiaro a incolore. Ciò dimostra anche che il gel di silice ha ancora capacità di adsorbimento per il gas CO2. Tuttavia, la forza di adsorbimento del gel di silice sulla CO2 è molto inferiore a quella di HCl, NH3 e SO2 e l'anidride carbonica può essere assorbita solo parzialmente durante l'esperimento nella Figura 5. È probabile che il motivo per cui il gel di silice possa assorbire parzialmente la CO2 sia che il gel di silice e la CO2 formano legami idrogeno intermolecolari Si — OH… O =C. Poiché l'atomo di carbonio centrale della CO2 è ibrido sp e l'atomo di silicio nel gel di silice è ibrido sp3, la molecola lineare di CO2 non coopera bene con la superficie del gel di silice, con il risultato che la forza di adsorbimento del gel di silice sull'anidride carbonica è relativamente piccolo.
3. Confronto tra la solubilità dei quattro gas in acqua e lo stato di adsorbimento sulla superficie del gel di silice Dai risultati sperimentali sopra riportati, si può vedere che il gel di silice ha una forte capacità di adsorbimento per ammoniaca, acido cloridrico e anidride solforosa, ma una piccola forza di adsorbimento per l'anidride carbonica (vedere Tabella 1). Questo è simile alla solubilità dei quattro gas nell'acqua. Ciò potrebbe essere dovuto al fatto che le molecole d'acqua contengono idrossi-OH e anche la superficie del gel di silice è ricca di idrossile, quindi la solubilità di questi quattro gas in acqua è molto simile al loro adsorbimento sulla superficie del gel di silice. Tra i tre gas di ammoniaca, acido cloridrico e anidride solforosa, l'anidride solforosa ha la minore solubilità in acqua, ma dopo essere stata adsorbita dal gel di silice, è quella più difficile da desorbire tra i tre gas. Dopo che il gel di silice ha assorbito ammoniaca e acido cloridrico, può essere desorbito con acqua solvente. Dopo che il gas di anidride solforosa è stato adsorbito dal gel di silice, è difficile da desorbire con acqua e deve essere riscaldato fino al desorbimento dalla superficie del gel di silice. Pertanto, l'adsorbimento di quattro gas sulla superficie del gel di silice deve essere calcolato teoricamente.
4 Il calcolo teorico dell'interazione tra gel di silice e quattro gas è presentato nel software ORCA di quantizzazione [4] nel quadro della teoria del funzionale della densità (DFT). Il metodo DFT D/B3LYP/Def2 TZVP è stato utilizzato per calcolare le modalità di interazione e le energie tra diversi gas e gel di silice. Per semplificare il calcolo, i solidi del gel di silice sono rappresentati da molecole di acido ortosilicico tetramerico. I risultati del calcolo mostrano che H2 O, NH3 e HCl possono tutti formare legami idrogeno con il gruppo ossidrile sulla superficie del gel di silice (vedere Figura 6a ~ c). Hanno un'energia legante relativamente forte sulla superficie del gel di silice (vedere Tabella 2) e vengono facilmente adsorbiti sulla superficie del gel di silice. Poiché l'energia di legame di NH3 e HCl è simile a quella di H2O, il lavaggio con acqua può portare al desorbimento di queste due molecole di gas. Per la molecola SO2, la sua energia di legame è di soli -17,47 kJ/mol, che è molto inferiore a quella delle tre molecole precedenti. Tuttavia, l'esperimento ha confermato che il gas SO2 viene facilmente adsorbito sul gel di silice e anche il lavaggio non può desorbirlo e solo il riscaldamento può far fuoriuscire SO2 dalla superficie del gel di silice. Pertanto, abbiamo ipotizzato che la SO2 possa combinarsi con H2 O sulla superficie del gel di silice per formare frazioni H2 SO3. La Figura 6e mostra che la molecola H2 SO3 forma contemporaneamente tre legami idrogeno con gli atomi di ossidrile e di ossigeno sulla superficie del gel di silice e l'energia di legame è pari a -76,63 kJ/mol, il che spiega perché la SO2 viene adsorbita su il gel di silice è difficilmente eludibile con l'acqua. La CO2 non polare ha la capacità di legame più debole con il gel di silice e può essere assorbita solo parzialmente dal gel di silice. Sebbene anche l'energia di legame di H2 CO3 e del gel di silice abbia raggiunto -65,65 kJ/mol, il tasso di conversione di CO2 in H2 CO3 non era elevato, quindi anche il tasso di assorbimento di CO2 era ridotto. Dai dati di cui sopra si può vedere che la polarità della molecola di gas non è l'unico criterio per giudicare se può essere adsorbita dal gel di silice, e il legame idrogeno formato con la superficie del gel di silice è la ragione principale del suo adsorbimento stabile.
La composizione del gel di silice è SiO2 ·nH2 O, l'enorme superficie del gel di silice e il ricco gruppo ossidrile sulla superficie fanno sì che il gel di silice possa essere utilizzato come essiccatore non tossico con prestazioni eccellenti ed è ampiamente utilizzato nella produzione e nella vita . In questo articolo, due aspetti dell'esperimento e del calcolo teorico confermano che il gel di silice può adsorbire NH3, HCl, SO2, CO2 e altri gas attraverso legami idrogeno intermolecolari, quindi il gel di silice non può essere utilizzato per essiccare questi gas. La composizione del gel di silice è SiO2 ·nH2 O, l'enorme superficie del gel di silice e il ricco gruppo ossidrile sulla superficie fanno sì che il gel di silice possa essere utilizzato come essiccatore non tossico con prestazioni eccellenti ed è ampiamente utilizzato nella produzione e nella vita . In questo articolo, due aspetti dell'esperimento e del calcolo teorico confermano che il gel di silice può adsorbire NH3, HCl, SO2, CO2 e altri gas attraverso legami idrogeno intermolecolari, quindi il gel di silice non può essere utilizzato per essiccare questi gas.
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FICO. 6 Modalità di interazione tra diverse molecole e superficie del gel di silice calcolate con il metodo DFT
Orario di pubblicazione: 14 novembre 2023
