In der Produktion und im Leben kann Kieselgel zum Trocknen von N2, Luft, Wasserstoff, Erdgas [1] usw. verwendet werden. Je nach Säure und Alkali können Trockenmittel in saure Trockenmittel, alkalische Trockenmittel und neutrale Trockenmittel unterteilt werden [2]. Kieselgel scheint ein neutraler Trockner zu sein, der NH3, HCl, SO2 usw. zu trocknen scheint. Grundsätzlich besteht Kieselgel jedoch aus der dreidimensionalen intermolekularen Dehydratisierung von Orthokieselsäuremolekülen, der Hauptkörper ist SiO2. und die Oberfläche ist reich an Hydroxylgruppen (siehe Abbildung 1). Der Grund, warum Kieselgel Wasser absorbieren kann, liegt darin, dass die Siliziumhydroxylgruppe auf der Oberfläche des Kieselgels intermolekulare Wasserstoffbrückenbindungen mit Wassermolekülen bilden kann, sodass es Wasser adsorbieren und somit eine trocknende Rolle spielen kann. Das farbverändernde Kieselgel enthält Kobaltionen, und nachdem das Adsorptionswasser die Sättigung erreicht hat, werden die Kobaltionen im farbverändernden Kieselgel zu hydratisierten Kobaltionen, so dass das blaue Kieselgel rosa wird. Nach längerem Erhitzen des rosa Kieselgels auf 200 °C bricht die Wasserstoffbindung zwischen Kieselgel und Wassermolekülen auf und das verfärbte Kieselgel wird wieder blau, so dass das Strukturdiagramm von Kieselsäure und Kieselgel erhalten werden kann wiederverwendet werden, wie in Abbildung 1 dargestellt. Da die Oberfläche von Silicagel also reich an Hydroxylgruppen ist, kann die Oberfläche von Silicagel auch intermolekulare Wasserstoffbrückenbindungen mit NH3 und HCl usw. bilden, und es gibt möglicherweise keine Möglichkeit, als solche zu agieren ein Trockenmittel aus NH3 und HCl, und in der vorhandenen Literatur gibt es keinen entsprechenden Bericht. Was waren also die Ergebnisse? Dieses Thema hat die folgende experimentelle Forschung durchgeführt.
FEIGE. 1 Strukturdiagramm von Orthokieselsäure und Kieselgel
2 Experimentteil
2.1 Untersuchung des Anwendungsbereichs von Kieselgel-Trockenmittel – Ammoniak Zunächst wurde das verfärbte Kieselgel in destilliertes Wasser bzw. konzentriertes Ammoniakwasser gegeben. Verfärbtes Kieselgel wird in destilliertem Wasser rosa; In konzentriertem Ammoniak färbt sich das farbverändernde Silikon zunächst rot und färbt sich dann langsam hellblau. Dies zeigt, dass Kieselgel NH3 oder NH3 ·H2 O in Ammoniak absorbieren kann. Wie in Abbildung 2 dargestellt, werden festes Calciumhydroxid und Ammoniumchlorid gleichmäßig gemischt und in einem Reagenzglas erhitzt. Das entstehende Gas wird durch Alkalikalk und anschließend durch Kieselgel entfernt. Die Farbe des Kieselgels in der Nähe der Eintrittsrichtung wird heller (die Farbe des Anwendungsbereichs des Kieselgel-Trockenmittels in Abbildung 2 wird untersucht – Ammoniak 73, die 8. Phase von 2023 ist im Wesentlichen die gleiche wie die Farbe des getränkten Kieselgels). in konzentriertem Ammoniakwasser) und das pH-Testpapier weist keine offensichtliche Veränderung auf. Dies zeigt an, dass das produzierte NH3 das pH-Testpapier nicht erreicht hat und vollständig adsorbiert wurde. Stoppen Sie nach einiger Zeit das Erhitzen, nehmen Sie einen kleinen Teil der Kieselgelkugel heraus, geben Sie sie in das destillierte Wasser, geben Sie Phenolphthalein zum Wasser, die Lösung wird rot, was darauf hinweist, dass das Kieselgel eine starke Adsorptionswirkung hat NH3, nachdem sich das destillierte Wasser gelöst hat, gelangt NH3 in das destillierte Wasser, die Lösung ist alkalisch. Da das Kieselgel daher eine starke Adsorption für NH3 aufweist, kann das Silikontrocknungsmittel NH3 nicht trocknen.
FEIGE. 2 Untersuchung des Anwendungsbereichs von Kieselgel-Trockenmittel – Ammoniak
2.2 Untersuchung des Anwendungsbereichs von Kieselgel-Trockenmittel – Chlorwasserstoff verbrennt zunächst NaCl-Feststoffe mit einer Alkohollampenflamme, um das feuchte Wasser in den festen Bestandteilen zu entfernen. Nachdem die Probe abgekühlt ist, wird konzentrierte Schwefelsäure zu den NaCl-Feststoffen gegeben, um sofort eine große Anzahl von Blasen zu erzeugen. Das erzeugte Gas wird in ein kugelförmiges Trockenrohr mit Kieselgel geleitet und ein feuchtes pH-Testpapier wird am Ende des Trockenrohrs angebracht. Das Kieselgel am vorderen Ende wird hellgrün und das nasse pH-Testpapier weist keine offensichtliche Veränderung auf (siehe Abbildung 3). Dies zeigt, dass das erzeugte HCl-Gas vollständig vom Kieselgel adsorbiert wird und nicht in die Luft entweicht.
Abbildung 3 Forschung zum Anwendungsbereich von Kieselgel-Trockenmittel – Chlorwasserstoff
Das Kieselgel adsorbierte HCl und wurde hellgrün und wurde in ein Reagenzglas gegeben. Geben Sie das neue blaue Kieselgel in das Reagenzglas und fügen Sie konzentrierte Salzsäure hinzu. Das Kieselgel nimmt ebenfalls eine hellgrüne Farbe an, die beiden Farben sind im Grunde gleich. Dies zeigt das Kieselgelgas im kugelförmigen Trockenrohr.
2.3 Untersuchung des Anwendungsbereichs von Kieselgel-Trockenmittel – Schwefeldioxid Gemischte konzentrierte Schwefelsäure mit Natriumthiosulfat-Feststoff (siehe Abbildung 4), NA2s2 O3 +H2 SO4 ==Na2 SO4 +SO2 ↑+S↓+H2 O; Das erzeugte Gas wird durch das Trockenrohr mit dem verfärbten Kieselgel geleitet, das verfärbte Kieselgel wird hellblau-grün und das blaue Lackmuspapier am Ende des nassen Testpapiers verändert sich nicht wesentlich, was darauf hinweist, dass das erzeugte SO2-Gas vorhanden ist vollständig von der Kieselgelkugel absorbiert und kann nicht entweichen.
FEIGE. 4 Untersuchung des Anwendungsbereichs von Kieselgel-Trockenmittel – Schwefeldioxid
Nehmen Sie einen Teil der Kieselgelkugel ab und legen Sie ihn in destilliertes Wasser. Nehmen Sie nach dem vollständigen Ausgleich einen kleinen Wassertropfen auf das blaue Lackmuspapier. Das Testpapier verändert sich nicht wesentlich, was darauf hindeutet, dass destilliertes Wasser nicht ausreicht, um SO2 aus dem Kieselgel zu desorbieren. Nehmen Sie einen kleinen Teil der Kieselgelkugel und erhitzen Sie ihn im Reagenzglas. Legen Sie nasses blaues Lackmuspapier an die Öffnung des Reagenzglases. Das blaue Lackmuspapier wird rot, was darauf hindeutet, dass durch Erhitzen SO2-Gas aus der Kieselgelkugel desorbiert wird, wodurch das Lackmuspapier rot wird. Die obigen Experimente zeigen, dass Kieselgel auch eine starke Adsorptionswirkung auf SO2 oder H2 SO3 hat und nicht zum Trocknen von SO2-Gas verwendet werden kann.
2.4 Untersuchung des Anwendungsbereichs von Kieselgel-Trockenmittel – Kohlendioxid
Wie in Abbildung 5 dargestellt, erscheint eine von Phenolphthalein tropfende Natriumbicarbonatlösung hellrot. Der Natriumbicarbonat-Feststoff wird erhitzt und die resultierende Gasmischung wird durch ein Trockenrohr geleitet, das getrocknete Kieselgelkügelchen enthält. Das Kieselgel verändert sich nicht wesentlich und das mit Phenolphthalein tropfende Natriumbicarbonat adsorbiert das HCl. Das Kobaltion im verfärbten Kieselgel bildet mit Cl- eine grüne Lösung und wird allmählich farblos, was darauf hinweist, dass sich am Ende des kugelförmigen Trockenrohrs ein CO2-Gaskomplex befindet. Das hellgrüne Kieselgel wird in destilliertes Wasser gegeben und das verfärbte Kieselgel wechselt allmählich zu Gelb, was darauf hinweist, dass das vom Kieselgel adsorbierte HCl im Wasser desorbiert wurde. Eine kleine Menge der oberen wässrigen Lösung wurde der mit Salpetersäure angesäuerten Silbernitratlösung zugesetzt, um einen weißen Niederschlag zu bilden. Eine kleine Menge einer wässrigen Lösung wird auf ein breites pH-Testpapier getropft, und das Testpapier wird rot, was darauf hinweist, dass die Lösung sauer ist. Die obigen Experimente zeigen, dass Kieselgel eine starke Adsorption an HCl-Gas aufweist. HCl ist ein stark polares Molekül, und die Hydroxylgruppe auf der Oberfläche von Kieselgel weist ebenfalls eine starke Polarität auf. Die beiden können intermolekulare Wasserstoffbrückenbindungen bilden oder eine relativ starke Dipol-Dipol-Wechselwirkung aufweisen, was zu einer relativ starken intermolekularen Kraft zwischen der Oberfläche von Kieselgel führt Gel- und HCl-Moleküle, daher weist Kieselgel eine starke Adsorption von HCl auf. Daher kann Silikontrocknungsmittel nicht zum Trocknen von HCl-Austritt verwendet werden, das heißt, das Kieselgel adsorbiert CO2 nicht oder nur teilweise CO2.
FEIGE. 5 Untersuchung des Anwendungsbereichs von Kieselgel-Trockenmittel – Kohlendioxid
Um die Adsorption von Kieselgel an Kohlendioxidgas zu beweisen, werden die folgenden Experimente fortgesetzt. Die Kieselgelkugel im kugelförmigen Trockenrohr wurde entfernt und der Teil in eine Natriumbicarbonatlösung getropft, auf die Phenolphthalein tropfte. Die Natriumbicarbonatlösung war entfärbt. Dies zeigt, dass Kieselgel Kohlendioxid adsorbiert und nach der Auflösung in Wasser in die Natriumbicarbonatlösung desorbiert, wodurch die Natriumbicarbonatlösung verblasst. Der verbleibende Teil der Silikonkugel wird in einem trockenen Reagenzglas erhitzt und das entstehende Gas in eine mit Phenolphthalein getropfte Natriumbicarbonatlösung geleitet. Bald verändert sich die Farbe der Natriumbicarbonatlösung von hellrot zu farblos. Dies zeigt auch, dass Kieselgel immer noch über eine Adsorptionsfähigkeit für CO2-Gas verfügt. Allerdings ist die Adsorptionskraft von Kieselgel auf CO2 viel geringer als die von HCl, NH3 und SO2, und Kohlendioxid kann während des Experiments in Abbildung 5 nur teilweise adsorbiert werden. Der Grund, warum Kieselgel CO2 teilweise adsorbieren kann, ist wahrscheinlich dass Kieselgel und CO2 intermolekulare Wasserstoffbrückenbindungen Si – OH… O =C bilden. Da das zentrale Kohlenstoffatom von CO2 ein sp-Hybrid ist und das Siliziumatom im Kieselgel ein sp3-Hybrid ist, kooperiert das lineare CO2-Molekül nicht gut mit der Oberfläche des Kieselgels, was dazu führt, dass die Adsorptionskraft von Kieselgel auf Kohlendioxid relativ ist klein.
3. Vergleich zwischen der Löslichkeit der vier Gase in Wasser und dem Adsorptionsstatus auf der Oberfläche von Kieselgel. Aus den obigen experimentellen Ergebnissen ist ersichtlich, dass Kieselgel eine starke Adsorptionskapazität für Ammoniak, Chlorwasserstoff und Schwefeldioxid aufweist, aber eine geringe Adsorptionskraft für Kohlendioxid (siehe Tabelle 1). Dies ähnelt der Löslichkeit der vier Gase in Wasser. Dies kann daran liegen, dass Wassermoleküle Hydroxy-OH enthalten und die Oberfläche von Kieselgel ebenfalls reich an Hydroxyl ist, sodass die Löslichkeit dieser vier Gase in Wasser ihrer Adsorption auf der Oberfläche von Kieselgel sehr ähnlich ist. Unter den drei Gasen Ammoniakgas, Chlorwasserstoff und Schwefeldioxid weist Schwefeldioxid die geringste Wasserlöslichkeit auf, ist jedoch nach der Adsorption durch Kieselgel von den drei Gasen am schwierigsten zu desorbieren. Nachdem das Kieselgel Ammoniak und Chlorwasserstoff adsorbiert hat, kann es mit Lösungsmittel Wasser desorbiert werden. Nachdem das Schwefeldioxidgas vom Kieselgel adsorbiert wurde, ist es schwierig, es mit Wasser zu desorbieren, und es muss erhitzt werden, um von der Oberfläche des Kieselgels zu desorbieren. Daher muss die Adsorption von vier Gasen an der Oberfläche von Kieselgel theoretisch berechnet werden.
4 Die theoretische Berechnung der Wechselwirkung zwischen Kieselgel und vier Gasen wird in der Quantisierungssoftware ORCA [4] im Rahmen der Dichtefunktionaltheorie (DFT) dargestellt. Die DFT D/B3LYP/Def2 TZVP-Methode wurde verwendet, um die Wechselwirkungsmodi und -energien zwischen verschiedenen Gasen und Kieselgel zu berechnen. Um die Berechnung zu vereinfachen, werden Kieselgel-Feststoffe durch tetramere Orthokieselsäuremoleküle dargestellt. Die Berechnungsergebnisse zeigen, dass H2 O, NH3 und HCl alle Wasserstoffbrückenbindungen mit der Hydroxylgruppe auf der Oberfläche von Kieselgel bilden können (siehe Abbildung 6a ~ c). Sie haben eine relativ starke Bindungsenergie auf der Kieselgeloberfläche (siehe Tabelle 2) und werden leicht auf der Kieselgeloberfläche adsorbiert. Da die Bindungsenergie von NH3 und HCl der von H2O ähnelt, kann das Waschen mit Wasser zur Desorption dieser beiden Gasmoleküle führen. Für das SO2-Molekül beträgt seine Bindungsenergie nur -17,47 kJ/mol, was viel kleiner ist als die der oben genannten drei Moleküle. Das Experiment bestätigte jedoch, dass SO2-Gas leicht am Kieselgel adsorbiert wird und selbst durch Waschen nicht desorbiert werden kann und nur durch Erhitzen SO2 von der Oberfläche des Kieselgels entweichen kann. Daher vermuteten wir, dass sich SO2 wahrscheinlich mit H2 O auf der Oberfläche von Kieselgel verbindet und H2SO3-Fraktionen bildet. Abbildung 6e zeigt, dass das H2SO3-Molekül gleichzeitig drei Wasserstoffbrückenbindungen mit den Hydroxyl- und Sauerstoffatomen auf der Oberfläche des Kieselgels bildet und die Bindungsenergie bis zu -76,63 kJ/mol beträgt, was erklärt, warum SO2 adsorbiert wird Das Kieselgel lässt sich nur schwer mit Wasser entfernen. Unpolares CO2 hat die schwächste Bindungsfähigkeit mit Kieselgel und kann nur teilweise von Kieselgel adsorbiert werden. Obwohl die Bindungsenergie von H2 CO3 und Kieselgel ebenfalls -65,65 kJ/mol erreichte, war die Umwandlungsrate von CO2 in H2 CO3 nicht hoch, sodass auch die Adsorptionsrate von CO2 verringert war. Aus den obigen Daten ist ersichtlich, dass die Polarität des Gasmoleküls nicht das einzige Kriterium ist, um zu beurteilen, ob es von Kieselgel adsorbiert werden kann, und dass die mit der Kieselgeloberfläche gebildete Wasserstoffbindung der Hauptgrund für seine stabile Adsorption ist.
Die Zusammensetzung von Kieselgel ist SiO2 · nH2 O, die große Oberfläche von Kieselgel und die reichhaltige Hydroxylgruppe auf der Oberfläche machen Kieselgel zu einem ungiftigen Trockner mit hervorragender Leistung und finden breite Anwendung in der Produktion und im Leben . In dieser Arbeit wird durch zwei Aspekte des Experiments und der theoretischen Berechnung bestätigt, dass Kieselgel NH3, HCl, SO2, CO2 und andere Gase über intermolekulare Wasserstoffbrückenbindungen adsorbieren kann, sodass Kieselgel nicht zum Trocknen dieser Gase verwendet werden kann. Die Zusammensetzung von Kieselgel ist SiO2 · nH2 O, die große Oberfläche von Kieselgel und die reichhaltige Hydroxylgruppe auf der Oberfläche machen Kieselgel zu einem ungiftigen Trockner mit hervorragender Leistung und finden breite Anwendung in der Produktion und im Leben . In dieser Arbeit wird durch zwei Aspekte des Experiments und der theoretischen Berechnung bestätigt, dass Kieselgel NH3, HCl, SO2, CO2 und andere Gase über intermolekulare Wasserstoffbrückenbindungen adsorbieren kann, sodass Kieselgel nicht zum Trocknen dieser Gase verwendet werden kann.
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FEIGE. 6 Interaktionsmodi zwischen verschiedenen Molekülen und der Kieselgeloberfläche, berechnet mit der DFT-Methode
Zeitpunkt der Veröffentlichung: 14. November 2023
