Өндірісте және өмірде силикагельді кептіру үшін N2, ауа, сутегі, табиғи газ [1] және т.б. Қышқыл мен сілтіге байланысты құрғатқышты: қышқыл құрғатқыш, сілтілі кептіргіш және бейтарап кептіргіш деп бөлуге болады [2]. Силикагель NH3, HCl, SO2 және т.б. құрғататын бейтарап кептіргіш болып көрінеді. Алайда, принциптік тұрғыдан алғанда, кремний гелі ортосилиций қышқылы молекулаларының үш өлшемді молекулааралық дегидратациясынан тұрады, негізгі корпусы SiO2, ал беті гидроксил топтарына бай (1-суретті қараңыз). Силикагельдің суды сіңіруінің себебі, кремнийдің бетіндегі кремний гидроксил тобы су молекулаларымен молекула аралық сутектік байланыс түзе алады, сондықтан ол суды сіңіріп, сол арқылы кептіру рөлін атқара алады. Түсін өзгертетін силикагельдің құрамында кобальт иондары бар, адсорбциялық су қаныққаннан кейін түс өзгертетін силикагельдегі кобальт иондары гидратталған кобальт иондарына айналады, сөйтіп көк кремний гелі қызғылт түсті болады. Қызғылт кремний гелін 200℃ температурада біраз уақыт қыздырғаннан кейін, кремний және су молекулалары арасындағы сутектік байланыс үзіледі, ал түсі өзгерген кремний гелі қайтадан көк түске боялады, осылайша кремний қышқылы мен кремний гелінің құрылым диаграммасы 1-суретте көрсетілгендей қайта пайдалануға болады. Сонымен, силикагелдің беті гидроксил топтарына бай болғандықтан, силикагельдің бетінде де NH3 және HCl және т.б. молекулааралық сутектік байланыстар түзілуі мүмкін және оның әрекет ету жолы болмауы мүмкін. NH3 және HCl құрғатқышы және қолданыстағы әдебиеттерде тиісті есеп жоқ. Сонымен, нәтиже қандай болды? Бұл пән келесі эксперименталды зерттеу жұмыстарын жүргізді.
ІНЖІР. 1 Орто-кремний қышқылының және силикагельдің құрылымдық диаграммасы
2 Эксперимент бөлімі
2.1 Силикагельді құрғатқыш — аммиак қолдану аясын зерттеу Алдымен түсі өзгерген силикагель тиісінше тазартылған суға және концентрлі аммиак суына орналастырылды. Түсі өзгерген силикагель тазартылған суда қызғылт түске боялады; Концентрлі аммиакта түс өзгертетін силикон алдымен қызылға айналады және баяу ашық көк түске айналады. Бұл силикагель аммиактағы NH3 немесе NH3 ·H2 O сіңіре алатынын көрсетеді. 2-суретте көрсетілгендей қатты кальций гидроксиді мен аммоний хлориді біркелкі араласып, пробиркада қыздырылады. Алынған газды сілті әкімен, содан кейін силикагельмен жояды. Кіру бағытына жақын кремний гелінің түсі ашық болады (2-суреттегі силикагель құрғатқышының қолдану аясының түсі зерттелген — аммиак 73, 2023 жылдың 8-ші фазасы негізінен суланған кремний гелінің түсімен бірдей. концентрацияланған аммиак суында) және рН сынақ қағазында айқын өзгеріс жоқ. Бұл өндірілген NH3 рН сынақ қағазына жетпегенін және оның толығымен адсорбцияланғанын көрсетеді. Белгілі бір уақыт өткеннен кейін қыздыруды тоқтатыңыз, силикагельді шардың кішкене бөлігін алыңыз, оны тазартылған суға салыңыз, суға фенолфталеин қосыңыз, ерітінді қызыл түске боялады, бұл силикагельдің күшті адсорбциялық әсер ететінін көрсетеді. NH3, тазартылған суды ажыратқаннан кейін, NH3 тазартылған суға түседі, ерітінді сілтілі. Сондықтан силикагельдің NH3 үшін адсорбциясы күшті болғандықтан, силиконды кептіру агенті NH3-ті кептіре алмайды.
ІНЖІР. 2 Силикагель кептіргіш – аммиак қолдану аясын зерттеу
2.2 Силикагельді құрғатқыштың қолдану аясын зерттеу — хлорсутек қатты компоненттердегі ылғалды суды кетіру үшін алдымен NaCl қатты бөлшектерін спирт шамының жалынымен күйдіреді. Үлгіні салқындатқаннан кейін NaCl қатты заттарына концентрлі күкірт қышқылын бірден көп мөлшерде көпіршіктер шығару үшін қосады. Түзілген газ кремний гелі бар сфералық кептіргіш түтікке жіберіледі және кептіру түтігінің соңына ылғалды рН сынақ қағазы қойылады. Алдыңғы жағындағы силикагель ашық жасыл түске боялады, ал ылғалды рН сынақ қағазында айқын өзгеріс жоқ (3-суретті қараңыз). Бұл түзілген HCl газының силикагельмен толық адсорбцияланатынын және ауаға кетпейтінін көрсетеді.
3-сурет Силикагельді құрғатқыш — хлорсутек қолдану саласын зерттеу
Силикагель HCl-ді адсорбциялады және ашық жасыл түсті пробиркаға салды. Жаңа көк кремнийді пробиркаға салыңыз, концентрлі тұз қышқылын қосыңыз, кремний гелі де ашық жасыл түске айналады, екі түс негізінен бірдей. Бұл сфералық кептіргіш түтіктегі силикагель газын көрсетеді.
2.3 Силикагель құрғатқышының қолдану аясын зерттеу — күкірт диоксиді Натрий тиосульфаты қатты затымен аралас концентрлі күкірт қышқылы (4-суретті қараңыз), NA2s2 O3 +H2 SO4 ==Na2 SO4 +SO2 ↑+S↓+H2 O; Түзілген газ түсі өзгерген кремний гелі бар кептіргіш түтік арқылы өтеді, түсі өзгерген кремний-жасыл түске боялады, ал ылғалды сынақ қағазының соңындағы көк лакмус қағазы айтарлықтай өзгермейді, бұл түзілген SO2 газының бар екенін көрсетеді. Силикагель шарымен толығымен адсорбцияланған және қашып құтыла алмайды.
ІНЖІР. 4 Силикагель кептіргіш – күкірт диоксидін қолдану саласын зерттеу
Силикагельді шардың бір бөлігін алып, тазартылған суға салыңыз. Толық теңгерімнен кейін көк лакмус қағазына аз мөлшерде су тамшысын алыңыз. Сынақ қағазы айтарлықтай өзгермейді, бұл тазартылған судың силикагельден SO2 десорбциясы үшін жеткіліксіз екенін көрсетеді. Силикагельді шардың кішкене бөлігін алып, пробиркада қыздырыңыз. Пробирканың аузына дымқыл көк лакмус қағазын салыңыз. Көк лакмус қағазы қызыл түске боялады, бұл қыздыру силикагельді шардан SO2 газын десорбциялайтынын көрсетеді, осылайша лакмус қағазы қызылға айналады. Жоғарыда жүргізілген тәжірибелер көрсеткендей, силикагельдің SO2 немесе H2 SO3-ке де адсорбциялық әсері күшті және SO2 газын кептіру үшін қолдануға болмайды.
2.4 Силикагельді құрғатқыш — көмірқышқыл газын қолдану саласын зерттеу
5-суретте көрсетілгендей, фенолфталеин тамшылатып жатқан натрий бикарбонаты ерітіндісі ашық қызыл болып көрінеді. Натрий гидрокарбонаты қатты қыздырылады және алынған газ қоспасы кептірілген силикагель шарлары бар кептіру түтігінен өтеді. Силикагель айтарлықтай өзгермейді және фенолфталеинмен тамшылатып жатқан натрий бикарбонаты HCl-ді адсорбциялайды. Түсі өзгерген силикагельдегі кобальт ионы Cl- жасыл түсті ерітінді түзеді және бірте-бірте түссіз болады, бұл сфералық кептіру түтігінің соңында СО2 газ кешенінің бар екенін көрсетеді. Ашық жасыл түсті силикагель тазартылған суға салынып, түсі өзгерген кремний гелі біртіндеп сарыға айналады, бұл силикагельмен адсорбцияланған HCl суға десорбцияланғанын көрсетеді. Ақ тұнба түзу үшін азот қышқылымен қышқылдандырылған күміс нитратының ерітіндісіне жоғарғы сулы ерітіндінің аз мөлшері қосылды. Кең диапазондағы рН сынақ қағазына аз мөлшерде сулы ерітінді тамызылады, ал сынақ қағазы қызыл түске боялады, бұл ерітіндінің қышқыл екенін көрсетеді. Жоғарыда жүргізілген тәжірибелер көрсеткендей, силикагельдің HCl газына күшті адсорбциясы бар. HCl - күшті полярлы молекула, ал кремнеземнің бетіндегі гидроксил тобы да күшті полярлыққа ие және екеуі молекулааралық сутектік байланыстарды құра алады немесе салыстырмалы түрде күшті дипольді дипольді өзара әрекеттесуіне ие, нәтижесінде кремнеземнің беті арасында салыстырмалы күшті молекулааралық күш болады. гель және HCl молекулалары, сондықтан силикагель HCl күшті адсорбциясына ие. Сондықтан силиконды кептіру агенті HCl шығуын кептіру үшін қолданыла алмайды, яғни силикагель СО2 сіңірмейді немесе СО2 жартылай ғана адсорбциялайды.
ІНЖІР. 5 Силикагель кептіргіш – көмірқышқыл газын қолдану аясын зерттеу
Силикагельдің көмірқышқыл газына адсорбциясын дәлелдеу үшін келесі тәжірибелер жалғастырылады. Сфералық кептіру түтігіндегі силикагель шары алынып, бөлік фенолфталеин тамызатын натрий бикарбонат ерітіндісіне бөлінді. Натрий гидрокарбонатының ерітіндісі түссізденді. Бұл кремний диоксиді көмірқышқыл газын адсорбциялайтынын, ал суда ерігеннен кейін көмірқышқыл газы натрий гидрокарбонатының ерітіндісіне десорбцияланып, натрий бикарбонаты ерітіндісін кетіретінін көрсетеді. Силикон шарының қалған бөлігін құрғақ пробиркада қыздырып, алынған газды фенолфталеин тамшылатып натрий гидрокарбонатының ерітіндісіне жібереді. Көп ұзамай натрий гидрокарбонатының ерітіндісі ашық қызылдан түссізге дейін өзгереді. Бұл сонымен қатар силикагельдің әлі де СО2 газы үшін адсорбциялық қабілеті бар екенін көрсетеді. Дегенмен, кремний диоксидін СО2-ге адсорбциялау күші HCl, NH3 және SO2-ге қарағанда әлдеқайда аз, ал көмірқышқыл газы 5-суреттегі тәжірибе кезінде ішінара ғана адсорбциялануы мүмкін. Силикагельдің СО2-ні ішінара адсорбциялауының себебі, бәлкім, силикагель мен СО2 молекулааралық сутектік байланыстар Si — OH... O =C түзеді. СО2 орталық көміртегі атомы sp гибридті, ал кремнийдің кремний атомы sp3 гибридті болғандықтан, сызықтық CO2 молекуласы силикагельдің бетімен жақсы әрекеттеспейді, нәтижесінде кремний диоксидіндегі кремнийдің адсорбциялық күші салыстырмалы түрде болады. кішкентай.
3. Төрт газдың судағы ерігіштігі мен силикагель бетіндегі адсорбциялық жағдайды салыстыру Жоғарыда келтірілген тәжірибе нәтижелерінен силикагелдің аммиак, хлорсутек және күкірт диоксиді үшін күшті адсорбциялық қабілеті бар екенін көруге болады, бірақ көміртегі диоксиді үшін аз адсорбциялық күш (1-кестені қараңыз). Бұл төрт газдың судағы ерігіштігіне ұқсас. Бұл су молекулаларының құрамында гидрокси-ОН болатындықтан болуы мүмкін, ал силикагелдің беті де гидроксилге бай, сондықтан бұл төрт газдың суда ерігіштігі оның силикагель бетіндегі адсорбциясына өте ұқсас. Аммиак газы, хлорсутек және күкірт диоксидінің үш газының ішінде күкірт диоксиді суда ең аз ерігіштікке ие, бірақ силикагельмен адсорбцияланғаннан кейін үш газдың ішінде десорбциялау ең қиын болып табылады. Силикагель аммиак пен хлорсутекті сіңіргеннен кейін оны еріткіш сумен десорбциялауға болады. Күкірт диоксиді газы силикагельмен адсорбцияланғаннан кейін оны сумен десорбциялау қиын, оны силикагельдің бетінен десорбциялау үшін қыздыру керек. Сондықтан силикагель бетіндегі төрт газдың адсорбциясы теориялық түрде есептелуі керек.
4 Силикагель мен төрт газдың өзара әрекеттесуінің теориялық есебі тығыздықтың функционалдық теориясының (ТҚТ) шеңберінде квантизациялау ORCA бағдарламалық құралында [4] берілген. DFT D/B3LYP/Def2 TZVP әдісі әртүрлі газдар мен силикагель арасындағы әрекеттесу режимдері мен энергияларын есептеу үшін пайдаланылды. Есептеуді жеңілдету үшін силикагельді қатты заттар тетрамерлі орто кремний қышқылының молекулаларымен ұсынылған. Есептеу нәтижелері H2 O, NH3 және HCl барлығының силикагель бетіндегі гидроксил тобымен сутектік байланыс түзе алатынын көрсетеді (6a ~ c суретін қараңыз). Олар силикагель бетінде салыстырмалы түрде күшті байланыс энергиясы бар (2-кестені қараңыз) және силикагель бетінде оңай адсорбцияланады. NH3 және HCl байланыс энергиясы H2 O энергиясына ұқсас болғандықтан, сумен жуу осы екі газ молекуласының десорбциясына әкелуі мүмкін. SO2 молекуласы үшін оның байланыс энергиясы бар болғаны -17,47 кДж/моль, бұл жоғарыдағы үш молекуладан әлдеқайда аз. Алайда, тәжірибе SO2 газының силикагельге оңай адсорбцияланатынын, тіпті жуудың өзі оны десорбциялай алмайтынын, тек қыздырғанда ғана SO2 силикагельдің бетінен шығуы мүмкін екенін дәлелдеді. Сондықтан SO2 силикагельдің бетінде H2 O-мен қосылып, H2 SO3 фракцияларын түзеді деп болжадық. 6е суретте H2 SO3 молекуласы бір мезгілде силикагель бетіндегі гидроксил және оттегі атомдарымен үш сутектік байланыс түзетінін және байланыс энергиясы -76,63 кДж/моль болатынын көрсетеді, бұл SO2 неліктен адсорбцияланғанын түсіндіреді. силикагельді сумен өткізіп жіберу қиын. Полярлы емес СО2 силикагельмен ең әлсіз байланысу қабілетіне ие және тек ішінара силикагельмен адсорбциялануы мүмкін. H2 CO3 пен силикагельдің байланыс энергиясы да -65,65 кДж/мольге жеткенімен, СО2-нің H2 CO3-ке айналу жылдамдығы жоғары болмады, сондықтан СО2-нің адсорбция жылдамдығы да төмендеді. Жоғарыда келтірілген деректерден газ молекуласының полярлығы оның кремнеземдік гелмен адсорбциялану мүмкіндігін анықтаудың жалғыз критерийі емес екенін, ал силикагель бетімен түзілген сутектік байланыс оның тұрақты адсорбциялануының негізгі себебі болып табылатынын көруге болады.
Силикагельдің құрамы SiO2 ·nH2 O болып табылады, силикагелдің үлкен бетінің ауданы және оның бетіндегі бай гидроксил тобы силикагельді тамаша өнімділігі бар улы емес кептіргіш ретінде пайдалануға болады және өндірісте және өмірде кеңінен қолданылады. . Бұл жұмыста силикагель молекулааралық сутектік байланыстар арқылы NH3, HCl, SO2, CO2 және басқа газдарды адсорбциялай алатындығы эксперимент пен теориялық есептеудің екі аспектісінде расталды, сондықтан силикагельді бұл газдарды кептіру үшін қолдануға болмайды. Силикагельдің құрамы SiO2 ·nH2 O болып табылады, силикагелдің үлкен бетінің ауданы және оның бетіндегі бай гидроксил тобы силикагельді тамаша өнімділігі бар улы емес кептіргіш ретінде пайдалануға болады және өндірісте және өмірде кеңінен қолданылады. . Бұл жұмыста силикагель молекулааралық сутектік байланыстар арқылы NH3, HCl, SO2, CO2 және басқа газдарды адсорбциялай алатындығы эксперимент пен теориялық есептеудің екі аспектісінде расталды, сондықтан силикагельді бұл газдарды кептіру үшін қолдануға болмайды.
３
ІНЖІР. 6 Әртүрлі молекулалар мен силикагель беті арасындағы әрекеттесу режимдері DFT әдісімен есептелген
Жіберу уақыты: 14 қараша 2023 ж
