Di hilberîn û jiyanê de, silicagel dikare ji bo hişkkirina N2, hewa, hîdrojen, gaza xwezayî [1] û hwd. Li gorî asîd û alkaliyê, desiccant dikare bibe dabeşkirin: asîdî desiccant, desiccant alkaline û desiccant neutral [2]. Silica gel zuwakerek bêalî xuya dike ku xuya dike ku NH3, HCl, SO2, hwd zuwa dike. Lêbelê, ji hêla prensîbê ve, silicagel ji dehîdrasyona navmolekular a sê-alî ya molekulên asîdê ortosilicic pêk tê, laşê sereke SiO2 e. û rûber di komên hîdroksîl de dewlemend e (binêre Figure 1). Sedema ku silicagel dikare avê bigire ev e ku koma hîdroksîl a silicon li ser rûyê silicagel dikare bi molekulên avê re girêdanên hîdrojenê yên navmolekularî çêbike, ji ber vê yekê ew dikare avê bihelîne û bi vî rengî rola hişkkirinê bilîze. Di gêla silica ya ku reng diguherîne îyonên kobalt dihewîne, û piştî ku ava adsorbasyonê digihîje têrbûnê, îyonên kobaltê yên di gêla silica ya ku reng diguherîne de dibin îyonên kobaltê yên hîdroteyî, ji ber vê yekê silica gela şîn dibe pembe. Piştî germkirina gêla silica pembe li 200℃ ji bo demekê, girêdana hîdrojenê di navbera molekulên silicagel û avê de diqete, û gêla silica ya bêreng dê dîsa şîn bibe, bi vî rengî şemaya strukturê ya asîda silicic û silicagel dikare bikaribe. ji nû ve were bikar anîn wekî ku di jimar 1 de tê xuyang kirin. Ji ber vê yekê, ji ber ku rûyê silicagel ji hêla komên hîdroksîl ve dewlemend e, rûyê silicagel dikare bi NH3 û HCl û hwd re girêdanên hîdrojenê yên navmolekular jî çêbike, û dibe ku rêyek tune ku wekî desiccant NH3 û HCl, û di wêjeya heyî de raporek têkildar tune. Ji ber vê yekê encam çi bûn? Vê mijarê lêkolînek ceribandinê ya jêrîn kiriye.
KEMAN. 1 Diyagrama strukturê ya orto-silicic acid û silica gel
2 Experiment Part
2.1 Vekolîna çarçoweya sepana desiccantê silicagel - Ammonia Pêşîn, gêla silica ya bêreng bi rêzê ve di nav ava distîlkirî û ava ammoniakê de hate danîn. Gela silica ya bêreng di ava distîlkirî de pembe dibe; Di ammonyaya konsantrekirî de, silîkona ku reng diguherîne pêşî sor dibe û hêdî hêdî şîn dibe. Ev nîşan dide ku silicagel dikare NH3 an NH3 ·H2 O di ammoniakê de bihelîne. Wekî ku di jimar 2 de tê xuyang kirin, hîdroksîdê kalsiyûmê yê zexm û klorîdê amonyûmê di lûleya ceribandinê de bi rengek wekhev têne tevlihev kirin û germ kirin. Gaza ku di encamê de bi lîma alkali û paşê jî bi silicagel tê derxistin. Rengê gêla silica ya li nêzê rêça têketinê siviktir dibe (rengê qada sepanê ya desiccantê silicagel di Figure 2 de tê vekolîn - ammonia 73, qonaxa 8-an a 2023-an di bingeh de heman rengê gêla silica ye ku tê şuştin. di ava ammoniak a konsantrekirî de), û kaxeza testa pH-ê guheztinek diyar nîne. Ev destnîşan dike ku NH3-ya ku hatî hilberandin negihîştiye kaxeza testa pH-ê, û ew bi tevahî hate vegirtin. Piştî demekê, germkirinê rawestînin, beşek piçûk ji topa silicagelê derxînin, têxin nav ava distîlkirî, fenolphthaleinê li avê zêde bikin, çareserî sor dibe, ev nîşan dide ku gêla silica xwedan bandorek xurt a adsorpsiyonê ye. NH3, piştî ku ava serjêkirî ji hev vediqete, NH3 dikeve ava distîlkirî, çareserî alkalîn e. Ji ber vê yekê, ji ber ku gêla silica ji bo NH3 xwedan adsorbasyonek xurt e, kargêrê zuwakirina silicone nikare NH3 zuwa bike.
KEMAN. 2 Lêgerîna çarçoweya serîlêdana desiccantê silica gel - ammonia
2.2 Lêgerîna çarçoveya serîlêdana jelê silica desiccant - klorîdê hîdrojenê pêşî zexmên NaCl bi agirê lampeya alkolê dişewitîne da ku ava şil di pêkhateyên hişk de rake. Piştî ku nimûne sar dibe, asîda sulfurîk a konsantrekirî li madeyên NaCl tê zêdekirin da ku tavilê jimarek mezin bilbilan çêbike. Gaza ku hatî hilberandin di nav boriyek zuwakirinê ya spherîkî ya ku tê de gêla silica tê de tê derbas kirin, û kaxezek testa pH ya şil li dawiya lûleya zuwakirinê tê danîn. Gela silica ya li dawiya pêş kesk sivik dibe, û kaxeza testa pH ya şil tu guheztinek diyar nîne (binihêre Figure 3). Ev nîşan dide ku gaza HCl ya hatî çêkirin bi tevahî ji hêla silicagel ve tê vegirtin û ji hewayê dernakeve.
Figure 3 Lêkolîn li ser çarçoveya sepanê desiccant gel silica - hîdrojen klorîd
Gela silica HCl vedihewand û kesk ronî bû di lûleya ceribandinê de hate danîn. Gela sîlîka şîn a nû têxin lûleya îmtîhanê, asîda hîdrochlorîk a konsantrekirî lê zêde bikin, silica gel jî dibe rengê keskek sivik, du reng di bingeh de yek in. Ev gaza silica gel di lûleya zuhakirina ferkî de nîşan dide.
2.3 Lêgerîna qada sepanê ya desiccantê silicagel — sulfur dioxide Acîda sulfurîk a konsantrekirî ya tevlihev bi thiosulfate sodyûmê zexm (binihêre Figure 4), NA2s2 O3 +H2 SO4 ==Na2 SO4 +SO2 ↑+S↓+H2 O; Gaza hilberandî di nav lûleya zuwakirinê ya ku tê de gêla silica ya rengbûyî tê de tê derbas kirin, gêla silica ya rengdar dibe şîn-kesk sivik, û kaxeza lîmûsê ya şîn a li dawiya kaxeza ceribandina şil bi girîngî naguhezîne, û destnîşan dike ku gaza SO2 ya hatî çêkirin heye. bi tevahî ji hêla topa silicagel ve hatî vegirtin û nekare bireve.
KEMAN. 4 Lêgerîna çarçoweya serîlêdana desiccantê silica gel - sulfur dioxide
Parçeyek ji topa silicagelê jêkin û têxin nav ava distîlkirî. Piştî hevsengiya bêkêmasî, li ser kaxezê lîmûsê şîn piçûkek piçûkek avê bavêjin. Kaxeza îmtîhanê bi girîngî nayê guheztin, ev destnîşan dike ku ava distîlkirî têrê nake ku SO2 ji gêla silica derxe. Parçeyek piçûk ji topa silica gel bistînin û di lûleya ceribandinê de germ bikin. Kaxiza lîmûsê şîn a şil bixin devê lûleya testê. Kaxeza lîmûsê ya şîn sor dibe, ev nîşan dide ku germbûna gaza SO2 ji topa silicagelê vediqetîne, bi vî rengî kaxeza latmusê sor dibe. Ceribandinên li jor destnîşan dikin ku silicagel di heman demê de li ser SO2 an H2 SO3 bandorek adsorpsiyonê ya xurt heye, û ji bo zuwakirina gaza SO2 nayê bikar anîn.
2.4 Lêgerîna çarçoweya serîlêdana desiccantê silica gel - Karbondîoksît
Wekî ku di jimar 5 de tê xuyang kirin, çareseriya bîkarbonatê sodyûmê ku phenolphthalein diherike sorê sivik xuya dike. Sodyûm bîkarbonatê zexm tê germ kirin û tevliheviya gazê ya ku derketiye di nav lûleyek zuwakirinê ya ku tê de hêlînên silicagelê yên hişkkirî tê de tê derbas kirin. Gela silica bi girîngî nayê guheztin û bîkarbonatê sodyûmê ku bi fenolphthaleinê diherike HCl-ê vedigire. Iyona kobaltê ya di gêla silica ya bêreng de bi Cl- re çareseriyek kesk çêdike û hêdî hêdî bêreng dibe, ev nîşan dide ku li dawiya lûleya zuwakirina gewherî kompleksek gaza CO2 heye. Gela silica-kesk-teşîn di nav ava distîlkirî de tê danîn, û gêla silica ya bêreng hêdî hêdî diguhere zer, ev nîşan dide ku HCl-a ku ji hêla silicagel ve hatî kişandin di nav avê de derketiye. Mîqdarek piçûk ji çareseriya avî ya jorîn li çareseriya nîtrata zîv a ku ji hêla asîdê nîtrîk ve hatî asîd kirin hate zêde kirin da ku barek spî çêbike. Mîqdarek piçûk a çareseriya avî li ser kaxezek ceribandina pH-ê ya berfireh tê avêtin, û kaxeza ceribandinê sor dibe, ku destnîşan dike ku çareserî asîdî ye. Ceribandinên li jor destnîşan dikin ku silicagel bi gaza HCl re xwedan adsorbasyonek xurt e. HCl molekulek bi hêz polar e, û koma hîdroksîl a li ser rûyê silicagel jî xwedan polarîtek xurt e, û dibe ku her du girêdanên hîdrojenê yên navmolekularî ava bikin an jî xwedan têkiliyek dipolê ya dipolê ya nisbeten xurt bin, di encamê de hêzek navmolekularî ya nisbeten xurt di navbera rûxara silica de çêdibe. molekulên gel û HCl, ji ber vê yekê silicagel xwedî adsorbasyonek xurt a HCl ye. Ji ber vê yekê, kargêrê zuwakirina silîkonê nikare were bikar anîn da ku revîna HCl zuwa bike, ango, gêla silica CO2-ê nagire an jî tenê bi qismî CO2-ê vedigire.
KEMAN. 5 Lêgerîna çarçoveya serîlêdana silica gel desiccant - karbondîoksîtê
Ji bo îsbatkirina adsorbasyona silica gel a gaza karbondîoksîtê, ceribandinên jêrîn têne domandin. Di lûleya zuwakirinê ya sferîkî de gogê gêlê silica hate rakirin, û beş di nav çareya bîkarbonat a sodyûmê de ku fenolphthalein diherike hate dabeş kirin. Çareseriya bîkarbonatê sodyûmê hat rengdan. Ev nîşan dide ku silicagel karbondîoksîtê vedigire, û piştî ku di nav avê de tê çareser kirin, karbondîoksît di nav çareseriya bîkarbonatê sodyûmê de vediqete, û çareseriya bîkarbonatê sodyûmê şîn dibe. Beşa mayî ya topa silîkonê di lûleya ceribandinê ya hişk de tê germ kirin, û gaza ku derketî di nav çareseriyek bîkarbonat a sodyûmê de ku bi fenolphthalein ve diherike tê derbas kirin. Zû zû, çareseriya bîkarbonatê sodyûm ji sorê sivik berbi bêreng diguhere. Ev jî nîşan dide ku silicagel hîn jî ji bo gaza CO2 kapasîteya adsorpsiyonê heye. Lêbelê, hêza vegirtinê ya silicagel li ser CO2 ji ya HCl, NH3 û SO2 pir piçûktir e, û karbondîoksît tenê dikare di dema ceribandina di Xiflteya 5 de bi qismî were veguheztin. Sedema ku silicagel dikare bi qismî CO2-ê bişewitîne dibe ku bibe ku silicagel û CO2 girêdanên hîdrojenê yên navmolekularî pêk tînin Si — OH… O =C. Ji ber ku atoma karbonê ya navendî ya CO2 sp hybrid e, û atoma siliconê di jelê silica de sp3 hîbrîd e, molekula CO2 ya xêzkirî bi rûyê silicagel re baş hevkariyê nake, di encamê de hêza adsorption gêla silica li ser karbondîoksîtê bi nisbî ye. biçûk.
3. Berawirdkirina di navbera çareserbûna çar gazên di avê de û rewşa adsorbasyonê ya li ser rûyê silicagel Ji encamên ceribandinên jorîn, tê dîtin ku silicagel ji bo ammonia, klorîdê hîdrojen û dîoksîtê kewkurtê xwedî kapasîteya adsorpsiyonê ya bihêz e, lê ji bo karbondîoksîtê hêzek adsorpsiyonê ya piçûk (li Tablo 1 binêre). Ev dişibe helbûna çar gazên di avê de. Ev dibe ku ji ber ku molekulên avê hîdroksî-OH dihewîne, û rûyê silicagelê jî bi hîdroksîl dewlemend e, ji ber vê yekê çareserbûna van çar gazan di avê de pir dişibihe adsorbasyona wê ya li ser rûyê silicagelê. Di nav sê gazên gaza amonyak, hîdrojen klorîd û dîoksîtê kewkurtê de, duoksîda kewûltê di avê de xwedan helbûna herî hindik e, lê piştî ku ji hêla silicagel ve tê kişandin, di nav her sê gazan de derxistina wê ya herî dijwar e. Piştî ku silicagel ammoniak û hîdrojen klorîdê vedihewîne, ew dikare bi ava çareserker were şûştin. Piştî ku gaza sulfur dioksîtê ji hêla silicagel ve tê kişandin, ew bi avê re zehmet e ku were derxistin, û pêdivî ye ku ji rûyê silicagel ve were germ kirin. Ji ber vê yekê, adsorption çar gazên li ser rûyê silicagel divê bi teorîk were hesibandin.
4 Hesabkirina teorîkî ya danûstendina di navbera silicagel û çar gazan de di nermalava ORCA ya kuantumîzasyonê de [4] di çarçoveya teoriya fonksiyonê ya tîrêjê (DFT) de tê pêşkêş kirin. Rêbaza DFT D/B3LYP/Def2 TZVP hate bikar anîn da ku awayên danûstendinê û enerjiyên di navbera gazên cihêreng û gela silica de hesab bike. Ji bo hêsankirina hesabkirinê, hişkên silicagel bi molekulên asîdê ortosilicic tetramerîk têne temsîl kirin. Encamên hesabkirinê destnîşan dikin ku H2O, NH3 û HCl hemî dikarin bi koma hîdroksîl re li ser rûyê silicagel girêkên hîdrojenê çêkin (binihêrin Figure 6a ~ c). Ew enerjiya girêdanê ya nisbeten xurt li ser rûyê silicagelê hene (li Tablo 2 binêre) û bi hêsanî li ser rûbera silicagel têne vegirtin. Ji ber ku enerjiya girêdana NH3 û HCl dişibihe ya H2O, şûştina avê dikare bibe sedema hilweşîna van her du molekulên gazê. Ji bo molekula SO2, enerjiya wê ya girêdanê tenê -17,47 kJ/mol e, ku ji sê molekulên jorîn pir piçûktir e. Lêbelê, azmûnê piştrast kir ku gaza SO2 bi hêsanî li ser silicagel tê girtin, û tewra şuştin jî nikare wê jê bibe, û tenê germkirin dikare SO2 ji rûyê silicagel birevîne. Ji ber vê yekê, me texmîn kir ku SO2 îhtîmal e ku bi H2O re li ser rûyê silicagelê tevbigere û perçeyên H2SO3 çêbike. Figure 6e nîşan dide ku molekula H2 SO3 bi atomên hîdroksîl û oksîjenê re di heman demê de li ser rûyê silicagel sê girêkên hîdrojenê çêdike, û enerjiya girêdanê bi qasî -76,63 kJ/mol e, ku ev yek diyar dike ka çima SO2 li ser tê kişandin. silica gel zehmet e ku bi avê xilas bibe. CO2 ya ne-polar xwedan şiyana girêdana herî qels bi jelê silica ye, û tenê dikare bi qismî ji hêla silicagel ve were vegirtin. Her çend enerjiya girêdana H2CO3 û silicagel jî digihîje -65,65 kJ/mol, rêjeya veguhertina CO2 bo H2CO3 ne zêde bû, ji ber vê yekê rêjeya adsorbasyona CO2 jî kêm bû. Ji daneyên jorîn tê dîtin ku polarîteya molekula gazê ne pîvanek yekane ye ku meriv dadbar bike ka gelo ew dikare ji hêla silicagel ve were vegirtin, û girêdana hîdrojenê ya ku bi rûyê silicagel re hatî çêkirin sedema bingehîn a adsorpsiyona wê ya domdar e.
Pêkhateya jelê silica SiO2 ·nH2 O ye, qada mezin a jelê silica û koma hîdroksîl a dewlemend a li ser rûxê dihêle silica gel dikare wekî zuwakerek ne-jehrîn bi performansa hêja were bikar anîn, û bi berfirehî di hilberîn û jiyanê de tê bikar anîn. . Di vê gotarê de, ji du aliyên ceribandin û hesabkirina teorîkî ve tê pejirandin ku silicagel dikare NH3, HCl, SO2, CO2 û gazên din bi navgîniya girêdanên hîdrojenê yên navmolekularî veşêre, ji ber vê yekê silicagel nikare ji bo zuwakirina van gazan were bikar anîn. Pêkhateya jelê silica SiO2 ·nH2 O ye, qada mezin a jelê silica û koma hîdroksîl a dewlemend a li ser rûxê dihêle silica gel dikare wekî zuwakerek ne-jehrîn bi performansa hêja were bikar anîn, û bi berfirehî di hilberîn û jiyanê de tê bikar anîn. . Di vê gotarê de, ji du aliyên ceribandin û hesabkirina teorîkî ve tê pejirandin ku silicagel dikare NH3, HCl, SO2, CO2 û gazên din bi navgîniya girêdanên hîdrojenê yên navmolekularî veşêre, ji ber vê yekê silicagel nikare ji bo zuwakirina van gazan were bikar anîn.
３
KEMAN. 6 Rêbazên danûstendinê yên di navbera molekulên cihêreng û rûxara gêlê silica de bi rêbaza DFT têne hesibandin
Dema şandinê: Nov-14-2023
