Nghiên cứu phạm vi ứng dụng của chất hút ẩm silica gel

Trong sản xuất và đời sống, silica gel có thể được sử dụng để làm khô N2, không khí, hydro, khí tự nhiên [1], v.v. Theo axit và kiềm, chất hút ẩm có thể được chia thành: chất hút ẩm axit, chất hút ẩm kiềm và chất hút ẩm trung tính [2]. Silica gel dường như là một máy sấy trung tính, dường như làm khô NH3, HCl, SO2, v.v. Tuy nhiên, theo quan điểm nguyên tắc, silica gel bao gồm sự khử nước liên phân tử ba chiều của các phân tử axit orthosilicic, phần chính là SiO2, và bề mặt rất giàu nhóm hydroxyl (xem Hình 1). Lý do tại sao silica gel có thể hấp thụ nước là do nhóm hydroxyl silicon trên bề mặt silica gel có thể hình thành liên kết hydro liên phân tử với các phân tử nước nên nó có thể hấp phụ nước và do đó đóng vai trò làm khô. Silica gel đổi màu có chứa các ion coban và sau khi nước hấp phụ đạt đến độ bão hòa, các ion coban trong silica gel đổi màu trở thành các ion coban ngậm nước, do đó silica gel màu xanh lam trở thành màu hồng. Sau khi đun nóng silica gel màu hồng ở 200oC trong một khoảng thời gian, liên kết hydro giữa silica gel và các phân tử nước bị phá vỡ và silica gel bị đổi màu sẽ chuyển sang màu xanh trở lại, do đó sơ đồ cấu trúc của axit silicic và silica gel có thể được tái sử dụng như trong Hình 1. Vì vậy, do bề mặt của silica gel rất giàu nhóm hydroxyl nên bề mặt của silica gel cũng có thể hình thành liên kết hydro liên phân tử với NH3 và HCl, v.v., và có thể không có cách nào để hoạt động như chất hút ẩm NH3 và HCl, và không có báo cáo liên quan nào trong tài liệu hiện có. Vậy kết quả là gì? Đề tài này đã thực hiện nghiên cứu thực nghiệm sau đây.

QUẢ SUNG. 1 Sơ đồ cấu trúc của axit ortho-silicic và silica gel

2 Phần thí nghiệm
2.1 Khám phá phạm vi ứng dụng của chất hút ẩm silica gel - Amoniac Đầu tiên, silica gel bị đổi màu được cho lần lượt vào nước cất và nước amoniac đậm đặc. Silica gel bị đổi màu chuyển sang màu hồng trong nước cất; Trong amoniac đậm đặc, silicone đổi màu đầu tiên chuyển sang màu đỏ và từ từ chuyển sang màu xanh nhạt. Điều này chứng tỏ silica gel có khả năng hấp thụ NH3 hoặc NH3 ·H2 O trong amoniac. Như thể hiện trong Hình 2, canxi hydroxit rắn và amoni clorua được trộn đều và đun nóng trong ống nghiệm. Khí thu được được loại bỏ bằng vôi kiềm và sau đó bằng silica gel. Màu của silica gel gần hướng vào trở nên nhạt hơn (màu của phạm vi ứng dụng của chất hút ẩm silica gel trong Hình 2 được khám phá - amoniac 73, giai đoạn 8 năm 2023 về cơ bản giống với màu của silica gel được ngâm trong nước amoniac đậm đặc) và giấy thử pH không có thay đổi rõ ràng. Điều này cho thấy NH3 sinh ra chưa đạt đến giấy thử pH và đã bị hấp phụ hoàn toàn. Sau một thời gian, dừng đun, lấy một phần nhỏ quả bóng silica gel, cho vào nước cất, thêm phenolphtalein vào nước, dung dịch chuyển sang màu đỏ chứng tỏ silica gel có tác dụng hấp phụ mạnh. NH3, sau khi tách nước cất, NH3 đi vào nước cất, dung dịch có tính kiềm. Do đó, do silica gel có khả năng hấp phụ NH3 mạnh nên chất làm khô silicon không thể làm khô NH3.

QUẢ SUNG. 2 Thăm dò phạm vi ứng dụng của chất hút ẩm silica gel – amoniac

2.2 Khám phá phạm vi ứng dụng của chất hút ẩm silica gel - hydro clorua đầu tiên đốt cháy chất rắn NaCl bằng ngọn lửa đèn cồn để loại bỏ nước ướt trong các thành phần rắn. Sau khi mẫu được làm lạnh, axit sulfuric đậm đặc được thêm vào chất rắn NaCl để tạo ra ngay một số lượng lớn bong bóng. Khí tạo ra được đưa vào ống sấy hình cầu chứa silica gel và giấy thử pH ướt được đặt ở cuối ống sấy. Silica gel ở mặt trước chuyển sang màu xanh lục nhạt và giấy thử độ pH ướt không có thay đổi rõ ràng (xem Hình 3). Điều này cho thấy khí HCl sinh ra đã bị silicagel hấp phụ hoàn toàn và không thoát ra ngoài không khí.

Hình 3 Nghiên cứu phạm vi ứng dụng của chất hút ẩm silica gel – hydro clorua

Cho silica gel hấp phụ HCl và chuyển sang màu xanh nhạt cho vào ống nghiệm. Cho silica gel màu xanh lam mới vào ống nghiệm, thêm axit clohydric đậm đặc, silica gel cũng chuyển sang màu xanh nhạt, hai màu về cơ bản là giống nhau. Điều này cho thấy khí silica gel trong ống sấy hình cầu.

2.3 Khám phá phạm vi ứng dụng của chất hút ẩm silica gel - sulfur dioxide Hỗn hợp axit sulfuric đậm đặc với chất rắn natri thiosulfate (xem Hình 4), NA2s2 O3 +H2 SO4 ==Na2 SO4 +SO2 ↑+S↓+H2 O; Khí tạo ra được đưa qua ống sấy chứa silica gel bị đổi màu, silica gel bị đổi màu trở thành màu xanh lam nhạt và giấy quỳ xanh ở cuối giấy thử ướt không thay đổi đáng kể, cho thấy khí SO2 được tạo ra có bị quả bóng silica gel hấp phụ hoàn toàn và không thể thoát ra ngoài.

QUẢ SUNG. 4 Thăm dò phạm vi ứng dụng của chất hút ẩm silica gel - sulfur dioxide

Lấy một phần quả bóng silica gel và cho vào nước cất. Sau khi cân bằng hoàn toàn, lấy một lượng nhỏ giọt nước lên giấy quỳ xanh. Giấy thử không thay đổi đáng kể, chứng tỏ nước cất không đủ để giải hấp SO2 khỏi silica gel. Lấy một phần nhỏ quả cầu silica gel và đun nóng trong ống nghiệm. Đặt giấy quỳ xanh ướt vào miệng ống nghiệm. Giấy quỳ xanh chuyển sang màu đỏ chứng tỏ khi đun nóng làm khí SO2 thoát ra khỏi quả cầu silica gel nên giấy quỳ chuyển sang màu đỏ. Các thí nghiệm trên cho thấy silica gel cũng có tác dụng hấp phụ mạnh đối với SO2 hoặc H2 SO3 và không thể dùng để làm khô khí SO2.
2.4 Tìm hiểu phạm vi ứng dụng của chất hút ẩm silica gel – Carbon dioxide
Như thể hiện trên Hình 5, dung dịch natri bicarbonate nhỏ giọt phenolphtalein xuất hiện màu đỏ nhạt. Chất rắn natri bicarbonate được đun nóng và hỗn hợp khí thu được được đưa qua ống sấy chứa các quả cầu silica gel khô. Silica gel không thay đổi đáng kể và natri bicarbonate nhỏ giọt với phenolphtalein sẽ hấp phụ HCl. Ion coban trong silica gel bị mất màu tạo thành dung dịch màu xanh lục với Cl- và dần dần trở nên không màu chứng tỏ có phức khí CO2 ở đầu ống sấy hình cầu. Cho silica gel màu xanh nhạt vào nước cất, silica gel bị đổi màu dần dần chuyển sang màu vàng, chứng tỏ HCl bị hấp phụ bởi silica gel đã được giải hấp vào nước. Một lượng nhỏ dung dịch nước phía trên được thêm vào dung dịch bạc nitrat được axit hóa bằng axit nitric để tạo thành kết tủa màu trắng. Một lượng nhỏ dung dịch nước nhỏ vào nhiều loại giấy thử pH và giấy thử chuyển sang màu đỏ, cho thấy dung dịch có tính axit. Các thí nghiệm trên cho thấy silica gel có khả năng hấp phụ mạnh với khí HCl. HCl là một phân tử phân cực mạnh và nhóm hydroxyl trên bề mặt silica gel cũng có độ phân cực mạnh và cả hai có thể hình thành liên kết hydro liên phân tử hoặc có tương tác lưỡng cực tương đối mạnh, dẫn đến lực liên phân tử tương đối mạnh giữa bề mặt silica. phân tử gel và HCl nên silica gel có khả năng hấp phụ HCl mạnh. Do đó, không thể sử dụng chất làm khô silicon để làm khô thoát HCl, nghĩa là silica gel không hấp phụ CO2 hoặc chỉ hấp phụ một phần CO2.

QUẢ SUNG. 5 Thăm dò phạm vi ứng dụng của chất hút ẩm silica gel - carbon dioxide

Để chứng minh khả năng hấp phụ của silica gel với khí carbon dioxide, các thí nghiệm sau đây được tiếp tục. Quả bóng silica gel trong ống sấy hình cầu được loại bỏ và phần này được chia thành dung dịch natri bicarbonate nhỏ giọt phenolphtalein. Dung dịch natri bicarbonate bị mất màu. Điều này cho thấy silica gel hấp thụ carbon dioxide và sau khi hòa tan trong nước, carbon dioxide sẽ giải hấp thành dung dịch natri bicarbonate, làm cho dung dịch natri bicarbonate nhạt dần. Phần còn lại của quả bóng silicon được đun nóng trong ống nghiệm khô và khí thu được được dẫn vào dung dịch natri bicarbonate nhỏ giọt với phenolphtalein. Chẳng bao lâu, dung dịch natri bicarbonate chuyển từ màu đỏ nhạt sang không màu. Điều này cũng cho thấy silica gel vẫn có khả năng hấp phụ khí CO2. Tuy nhiên, lực hấp phụ của silica gel lên CO2 nhỏ hơn nhiều so với HCl, NH3 và SO2, và carbon dioxide chỉ có thể bị hấp phụ một phần trong thí nghiệm trên Hình 5. Lý do tại sao silica gel có thể hấp phụ một phần CO2 có thể là do silica gel và CO2 hình thành liên kết hydro liên phân tử Si — OH… O =C. Do nguyên tử carbon trung tâm của CO2 là sp lai và nguyên tử silicon trong silica gel là lai sp3, nên phân tử CO2 tuyến tính không hợp tác tốt với bề mặt silica gel, dẫn đến lực hấp phụ của silica gel trên carbon dioxide tương đối lớn. bé nhỏ.

3.So sánh độ hòa tan của bốn loại khí trong nước và trạng thái hấp phụ trên bề mặt silica gel Từ kết quả thí nghiệm trên, có thể thấy rằng silica gel có khả năng hấp phụ mạnh đối với amoniac, hydro clorua và lưu huỳnh đioxit, nhưng một lực hấp phụ nhỏ đối với carbon dioxide (xem Bảng 1). Điều này tương tự như độ hòa tan của bốn khí trong nước. Điều này có thể là do các phân tử nước có chứa hydroxy-OH và bề mặt của silica gel cũng rất giàu hydroxyl nên độ hòa tan của bốn loại khí này trong nước rất giống với khả năng hấp phụ của nó trên bề mặt silica gel. Trong số ba loại khí amoniac, hydro clorua và lưu huỳnh đioxit, lưu huỳnh đioxit có độ hòa tan trong nước nhỏ nhất, nhưng sau khi bị hấp phụ bởi silica gel, nó khó giải hấp nhất trong ba loại khí. Sau khi silica gel hấp thụ amoniac và hydro clorua, nó có thể được giải hấp bằng nước dung môi. Sau khi khí sulfur dioxide được hấp phụ bởi silica gel, rất khó giải hấp bằng nước và phải được đun nóng để giải hấp khỏi bề mặt silica gel. Do đó, sự hấp phụ của bốn loại khí trên bề mặt silica gel phải được tính toán về mặt lý thuyết.

4 Tính toán lý thuyết về tương tác giữa silica gel và bốn loại khí được trình bày trong phần mềm ORCA lượng tử hóa [4] trong khuôn khổ lý thuyết hàm mật độ (DFT). Phương pháp DFT D/B3LYP/Def2 TZVP được sử dụng để tính toán các chế độ và năng lượng tương tác giữa các loại khí và silica gel khác nhau. Để đơn giản hóa việc tính toán, chất rắn silica gel được biểu diễn bằng các phân tử axit orthosilicic tetrameric. Kết quả tính toán cho thấy H2 O, NH3 và HCl đều có thể tạo liên kết hydro với nhóm hydroxyl trên bề mặt silica gel (xem hình 6a~c). Chúng có năng lượng liên kết tương đối mạnh trên bề mặt silica gel (xem Bảng 2) và dễ dàng hấp phụ trên bề mặt silica gel. Vì năng lượng liên kết của NH3 và HCl tương tự như năng lượng của H2 O nên việc rửa bằng nước có thể dẫn đến sự giải hấp của hai phân tử khí này. Đối với phân tử SO2, năng lượng liên kết của nó chỉ -17,47 kJ/mol, nhỏ hơn nhiều so với ba phân tử trên. Tuy nhiên, thí nghiệm đã xác nhận rằng khí SO2 dễ bị hấp phụ trên silica gel và ngay cả việc rửa cũng không thể giải hấp thụ được và chỉ đun nóng mới có thể khiến SO2 thoát ra khỏi bề mặt silica gel. Do đó, chúng tôi đoán rằng SO2 có khả năng kết hợp với H2 O trên bề mặt silica gel để tạo thành các phân đoạn H2 SO3. Hình 6e cho thấy phân tử H2 SO3 hình thành ba liên kết hydro với các nguyên tử hydroxyl và oxy trên bề mặt silica gel cùng lúc và năng lượng liên kết cao tới -76,63 kJ/mol, điều này giải thích tại sao SO2 bị hấp phụ trên silica gel khó loại bỏ bằng nước. CO2 không phân cực có khả năng liên kết yếu nhất với silica gel và chỉ có thể bị hấp phụ một phần bởi silica gel. Mặc dù năng lượng liên kết của H2 CO3 và silica gel cũng đạt -65,65 kJ/mol nhưng tốc độ chuyển đổi CO2 thành H2 CO3 không cao nên tốc độ hấp phụ CO2 cũng giảm. Từ dữ liệu trên có thể thấy rằng độ phân cực của phân tử khí không phải là tiêu chí duy nhất để đánh giá liệu nó có thể được hấp phụ bởi silica gel hay không và liên kết hydro được hình thành với bề mặt silica gel là lý do chính cho sự hấp phụ ổn định của nó.

Thành phần của silica gel là SiO2 ·nH2 O, diện tích bề mặt rất lớn của silica gel và nhóm hydroxyl phong phú trên bề mặt khiến silica gel có thể được sử dụng làm máy sấy không độc hại với hiệu suất tuyệt vời và được sử dụng rộng rãi trong sản xuất và đời sống . Trong bài báo này, từ hai khía cạnh thực nghiệm và tính toán lý thuyết đã xác nhận rằng silica gel có thể hấp phụ NH3, HCl, SO2, CO2 và các khí khác thông qua liên kết hydro liên phân tử nên không thể sử dụng silica gel để làm khô các khí này. Thành phần của silica gel là SiO2 ·nH2 O, diện tích bề mặt rất lớn của silica gel và nhóm hydroxyl phong phú trên bề mặt khiến silica gel có thể được sử dụng làm máy sấy không độc hại với hiệu suất tuyệt vời và được sử dụng rộng rãi trong sản xuất và đời sống . Trong bài báo này, từ hai khía cạnh thực nghiệm và tính toán lý thuyết đã xác nhận rằng silica gel có thể hấp phụ NH3, HCl, SO2, CO2 và các khí khác thông qua liên kết hydro liên phân tử nên không thể sử dụng silica gel để làm khô các khí này.

３
QUẢ SUNG. 6 Các dạng tương tác giữa các phân tử khác nhau và bề mặt silica gel tính toán bằng phương pháp DFT