Өндүрүштө жана жашоодо силикагельди N2, аба, суутек, жаратылыш газы [1] ж.б кургатуу үчүн колдонсо болот.Кислота жана щелоч боюнча кургаткыч: кислота кургаткыч, щелоч кургаткыч жана нейтралдуу кургаткыч болуп бөлүнөт [2].Силикагель NH3, HCl, SO2, ж.б. кургаткан нейтралдуу кургаткыч болуп көрүнөт. Бирок, принципиалдуу көз караштан алганда, кремний гели ортосилик кислотасынын молекулаларынын үч өлчөмдүү молекулалар аралык суусуздануусунан турат, негизги орган SiO2, ал эми бети гидроксил топторуна бай (1-сүрөттү караңыз).Силикагельдин сууну сиңирип алуусунун себеби, кремнийдин гидроксил тобунун бетиндеги суу молекулалары менен молекулалар аралык суутек байланыштарын түзө алат, ошондуктан ал сууну адсорбциялай алат жана ошону менен кургатуу ролун аткара алат.Түсү өзгөрүүчү кремнеземдин курамында кобальт иондору бар жана адсорбциялык суу каныккандан кийин түсүн өзгөрткөн кремнеземдеги кобальт иондору гидратталган кобальт иондоруна айланат, ошону менен көк кремнезем кызгылт түскө ээ болот.Кызгылт кремнийди 200 ℃ температурада бир нече убакытка ысыткандан кийин, силикагел менен суу молекулаларынын ортосундагы суутек байланышы үзүлүп, түсү өзгөргөн кремнезем кайрадан көк түскө айланат, ошондуктан кремний кислотасынын жана кремний гелинин структуралык диаграммасы 1-сүрөттө көрсөтүлгөндөй кайра колдонулушу мүмкүн. Ошентип, кремнийдин бети гидроксил топторуна бай болгондуктан, силикагелдин бети NH3 жана HCl ж.б. менен молекулалар аралык суутек байланыштарын түзүшү мүмкүн. NH3 жана HCl кургаткыч, жана бар адабияттарда тиешелүү отчет жок.Анда кандай жыйынтыктар болду?Бул тема төмөнкү эксперименталдык изилдөөлөрдү жасады.
FIG.1 Орто-кремний кислотасынын жана силикагельдин структуралык диаграммасы
2 Эксперимент бөлүгү
2.1 Силикагель кургаткычтын колдонулуш чөйрөсүн изилдөө — Аммиак Биринчиден, түсү өзгөргөн кремний гели дистилденген сууга жана концентраттуу аммиак суусуна салынган.Түсү өзгөргөн силикагел дистилденген сууда кызгылт түскө айланат;Концентрацияланган аммиакта түсүн өзгөртүүчү силикон алгач кызарып, акырындап ачык көк түскө айланат.Бул силикагель аммиактагы NH3 же NH3 ·H2 O сиңире аларын көрсөтөт.2-сүрөттө көрсөтүлгөндөй, катуу кальций гидроксиди менен аммоний хлориди тегиз аралашып, пробиркада ысытылат.Алынган газды щелочтуу акиташ, андан кийин силикагель менен жок кылат.Кире бериш багытка жакын силикагелдин түсү ачык болуп калат (2-сүрөттө силикагель кургаткычтын колдонулуш чөйрөсүнүн түсү изилденген — аммиак 73, 2023-жылдын 8-фазасы негизинен чыланган силикагелдин түсү менен бирдей. концентрацияланган аммиак суусунда) жана рН сыноо кагазында эч кандай айкын өзгөрүү жок.Бул өндүрүлгөн NH3 рН сыноо кагазына жете электигин жана ал толугу менен адсорбцияланганын көрсөтөт.Бир канча убакыт өткөндөн кийин ысытууну токтотуп, силикагель шарынын бир аз бөлүгүн алып чыгып, дистилденген сууга салып, сууга фенолфталеинди кошуңуз, эритме кызарып, кремнеземдин күчтүү адсорбциялык таасири бар экенин көрсөтөт. NH3, дистилденген суу ажыратылгандан кийин, NH3 дистилденген сууга кирет, эритме щелочтуу.Ошондуктан, силикагел NH3 үчүн күчтүү адсорбцияга ээ болгондуктан, силикон кургатуу агенти NH3 кургата албайт.
FIG.2 Силикагель кургаткыч — аммиакты колдонуу чейресун чалгындоо
2.2 Силикагель кургаткычтын колдонулуш чөйрөсүн изилдөө — хлор суутек катуу компоненттердеги нымдуу сууну жок кылуу үчүн алгач NaCl катуу заттарын спирт лампасынын жалыны менен күйгүзөт.Үлгү муздатылгандан кийин NaCl катуу заттарына концентраттуу күкүрт кислотасы кошулуп, дароо көп сандагы көбүкчөлөр пайда болот.Түзүлгөн газ силикагельди камтыган сфералык кургатуу түтүкчөсүнө өткөрүлүп берилет жана кургатуучу түтүктүн учуна нымдуу рН сыноо кагазы коюлат.Алдыңкы четиндеги силикагел ачык жашыл түскө айланат жана нымдуу рН сыноо кагазында эч кандай өзгөрүү жок (3-сүрөттү караңыз).Бул генерацияланган HCl газы толугу менен силикагель менен адсорбцияланганын жана абага чыкпай турганын көрсөтөт.
3-сүрөт Силикагель кургаткычтын — хлордуу суутектин колдонулуш аймагы боюнча изилдөөлөр
Силикагель HCl адсорбцияланып, ачык жашыл түскө ээ болуп, пробиркага салынган.Жаңы көк кремнийди пробиркага салыңыз, концентрацияланган туз кислотасын кошуңуз, кремнезем да ачык жашыл түскө айланат, эки түс негизинен бирдей.Бул сфералык кургатуучу түтүктөгү силикагель газын көрсөтөт.
2.3 Силикагель кургаткычтын колдонулуш чөйрөсүн изилдөө — күкүрттүн диоксиди Натрий тиосульфат катуу заты менен аралаш концентраттык күкүрт кислотасы (4-сүрөттү караңыз), NA2s2 O3 +H2 SO4 ==Na2 SO4 +SO2 ↑+S↓+H2 O;Түзүлгөн газ түсү өзгөргөн силикагельди камтыган кургатуу түтүкчөсүнөн өткөрүлөт, түсү өзгөргөн силикагел ачык көк-жашыл болуп калат, ал эми нымдуу сыноо кагазынын аягындагы көк лакмус кагазы олуттуу өзгөрбөйт, бул генерацияланган SO2 газы бар экенин көрсөтүп турат. толугу менен силикагель шары менен адсорбцияланган жана качып кутула албайт.
FIG.4 Силикагель кургаткыч - күкүрттүн диоксидин колдонуу чөйрөсүн изилдөө
Силикагель шарынын бир бөлүгүн алып, дистилденген сууга салыңыз.Толук баланстан кийин, көк лакмус кагазына бир аз көлөмдөгү суу тамчысын алыңыз.Сыноо кагазы олуттуу өзгөрбөйт, бул дистилденген суу кремний гелден SO2 десорбциялоо үчүн жетишсиз экендигин көрсөтөт.Силикагель шарынын бир аз бөлүгүн алып, пробиркага ысытыңыз.Пробирканын оозуна нымдуу көк лакмус кагазын коюңуз.Көк лакмус кагазы кызыл түскө айланат, бул ысытуу силикагель шарынан SO2 газын десорбциялоону, ошентип лакмус кагазын кызылга айландырарын көрсөтөт.Жогорудагы тажрыйбалар көрсөткөндөй, силикагель SO2 же H2 SO3 боюнча да күчтүү адсорбциялык таасирге ээ жана SO2 газын кургатуу үчүн колдонулбайт.
2.4 Силикагель кургаткыч - көмүр кычкыл газын колдонуу чөйрөсүн изилдөө
5-сүрөттө көрсөтүлгөндөй, натрий гидрокарбонат эритмеси тамчылатып жаткан фенолфталеин ачык кызыл болуп көрүнөт.Натрий гидрокарбонаты катуу ысытылат жана пайда болгон газ аралашмасы кургатылган силикагель сфералары бар кургатуу түтүкчөсүнөн өткөрүлөт.Силикагель анчалык деле өзгөрбөйт жана фенолфталеин менен тамчылаткан натрий гидрокарбонаты HClди адсорбциялайт.Түсү өзгөргөн силикагельдеги кобальт иону Cl- менен жашыл эритмени пайда кылып, бара-бара түссүз болуп калат, бул сфералык кургатуучу түтүктүн аягында СО2 газ комплекси бар экенин көрсөтүп турат.Ачык жашыл силикагель дистилденген сууга салынып, өңү өзгөргөн кремнезем акырындык менен сарыга өзгөрөт, бул кремнезем менен адсорбцияланган HCl сууга десорбцияланганын көрсөтөт.Азот кислотасы менен кычкылданган күмүш нитратынын эритмесине бир аз жогорку суудагы эритме кошулуп, ак чөкмө пайда болгон.Бир аз көлөмдөгү суу эритмеси кеңири диапазондогу рН сыноо кагазына ташталат жана сыноо кагазы кызарып, эритменин кислоталуу экенин көрсөтөт.Жогорудагы эксперименттер силикагелдин HCl газына күчтүү адсорбцияга ээ экендигин көрсөтүп турат.HCl күчтүү полярдуу молекула жана кремнеземдин бетиндеги гидроксил тобу да күчтүү полярдуулукка ээ жана экөө молекулалар аралык суутек байланыштарын түзүшү мүмкүн же салыштырмалуу күчтүү диполь диполдук өз ара аракеттенишип, кремнеземдин бетинин ортосунда салыштырмалуу күчтүү молекулалар аралык күчкө ээ болушу мүмкүн. гель жана HCl молекулалары бар, ошондуктан силикагель HCl күчтүү адсорбцияга ээ.Ошондуктан, силикон кургаткыч агент HCl качып кургатуу үчүн колдонулушу мүмкүн эмес, башкача айтканда, кремний гел CO2 же жарым-жартылай гана adsorb CO2 эмес.
FIG.5 Силикагель кургаткыч — көмүр кычкыл газын колдонуу чөйрөсүн изилдөө
Силикагельдин көмүр кычкыл газына адсорбциясын далилдөө үчүн төмөнкүдөй тажрыйбалар улантылат.Тоголок кургатуу түтүкчөсүндөгү силикагел шарики алынып, ал бөлүк фенолфталеин тамчылатуучу натрий гидрокарбонат эритмесине бөлүнгөн.Натрий гидрокарбонат эритмеси боёлуп кеткен.Бул кремний диоксиди көмүр кычкыл газын адсорбциялай турганын, ал эми сууда эригенден кийин көмүр кычкыл газы натрий гидрокарбонат эритмесинде десорбцияланып, натрий гидрокарбонат эритмеси солгундай турганын көрсөтөт.Силикон шарынын калган бөлүгү кургак пробиркада ысытылат жана пайда болгон газ фенолфталеин тамчылатып натрий гидрокарбонатынын эритмесине өткөрүлөт.Көп өтпөй натрий гидрокарбонатынын эритмеси ачык кызылдан түссүз болуп өзгөрөт.Бул ошондой эле силикагел дагы эле CO2 газын адсорбциялоо жөндөмүнө ээ экенин көрсөтүп турат.Бирок, кремний диоксидинин CO2ге адсорбциялоо күчү HCl, NH3 жана SO2ге караганда бир топ азыраак жана көмүр кычкыл газы 5-сүрөттөгү эксперименттин жүрүшүндө жарым-жартылай гана адсорбцияланышы мүмкүн. Силикагель СО2ди жарым-жартылай адсорбциялоонун себеби, кыязы, силикагель менен СО2 молекулалар аралык суутек байланыштарын түзүшөт Si — OH... O =C.СО2нин борбордук көмүртек атому sp гибрид, ал эми кремний атому SP3 гибрид болгондуктан, сызыктуу СО2 молекуласы силикагельдин бети менен жакшы иштешпейт, натыйжада кремний диоксидине кремнийдин адсорбциялык күчү салыштырмалуу болот. кичинекей.
3.Сууда төрт газдын эригичтигин жана кремнеземелдин бетиндеги адсорбция статусун салыштыруу. Жогорудагы эксперименттик натыйжалардан силикагелдин аммиак, хлордуу суутек жана күкүрт диоксиди үчүн күчтүү адсорбциялык жөндөмү бар экенин көрүүгө болот, бирок көмүр кычкыл газы үчүн кичинекей адсорбциялык күч (1-таблицаны караңыз).Бул төрт газдын суудагы эригичтигине окшош.Бул суу молекулаларында гидрокси-ОН камтылгандыктан болушу мүмкүн, ал эми кремнеземдин бети да гидроксилге бай, ошондуктан бул төрт газдын сууда эригичтиги анын кремнеземелдин бетиндеги адсорбциясына абдан окшош.Аммиак газынын, хлордуу суутектин жана күкүрт диоксидинин үч газынын ичинен күкүрт диоксидинин сууда эригичтиги эң аз, бирок силикагел менен адсорбциялангандан кийин үч газдын арасында десорбциялоо эң кыйын.Силикагель аммиакты жана хлордуу суутекти адсорбциялагандан кийин, аны эриткич суу менен десорбциялоого болот.Күкүрт диоксиди газы силикагель менен адсорбциялангандан кийин, аны суу менен десорбциялоо кыйынга турат жана аны силикагельдин бетинен десорбциялоо үчүн ысытуу керек.Ошондуктан силикагелдин бетине төрт газдын адсорбциясы теориялык жактан эсептелиши керек.
4 Силикагель менен төрт газдын өз ара аракеттешүүсүнүн теориялык эсеби тыгыздык функционалдык теориясынын (DFT) алкагында квантизациялоо ORCA программасында [4] берилген.DFT D/B3LYP/Def2 TZVP ыкмасы ар кандай газдар менен силикагельдин ортосундагы өз ара аракеттенүү режимдерин жана энергияларын эсептөө үчүн колдонулган.Эсептөөнү жөнөкөйлөтүү үчүн, кремнеземдик катуу бөлүкчөлөр тетрамердик орто кремний кислотасынын молекулалары менен көрсөтүлөт.Эсептөө натыйжалары H2 O, NH3 жана HCl кремнийдик гелдин бетинде гидроксил тобу менен суутек байланыштарын түзө аларын көрсөттү (6a ~ c сүрөттү караңыз).Алар силикагель бетинде салыштырмалуу күчтүү байланыш энергиясы бар (2-таблицаны караңыз) жана силикагель бетинде оңой адсорбцияланат.NH3 жана HCl байланыш энергиясы H2 O энергиясына окшош болгондуктан, суу менен жуу бул эки газ молекуласынын десорбциясына алып келиши мүмкүн.SO2 молекуласы үчүн анын байланыш энергиясы болгону -17,47 кДж/моль, бул жогорудагы үч молекуладан бир топ кичине.Бирок, эксперимент SO2 газы силикагельге оңой адсорбцияланарын, жада калса жууганда да аны десорбциялоо мүмкүн эместигин жана ысытуу гана SO2ди силикагельдин бетинен чыгара алаарын тастыктады.Демек, биз SO2 силикагельдин бетинде H2 O менен биригип, H2 SO3 фракцияларын түзүшү мүмкүн деп болжолдодук.6е-сүрөттө H2 SO3 молекуласы бир эле учурда силикагельдин бетинде гидроксил жана кычкылтек атомдору менен үч суутек байланышын түзөрүн жана байланыш энергиясы -76,63 кДж/мольге барабар экенин көрсөтүп турат, бул SO2 эмне үчүн адсорбцияланганын түшүндүрөт. силикагель суу менен качуу кыйын.Полярдуу эмес СО2 силикагель менен эң начар байланыштыруучу жөндөмгө ээ жана кремний гели менен жарым-жартылай гана адсорбцияланышы мүмкүн.Н2 СО3 менен силикагельдин байланыш энергиясы да -65,65 кДж/мольге жеткени менен СО2 нин H2 СО3 ге айлануу ылдамдыгы жогору болбогондуктан СО2 нин адсорбция ылдамдыгы да төмөндөгөн.Жогорудагы маалыматтардан көрүнүп тургандай, газ молекуласынын полярдуулугу анын кремнеземдик гел менен адсорбцияланышына баа берүү үчүн жалгыз критерий эмес, ал эми силикагельдин бети менен түзүлгөн суутек байланышы анын туруктуу адсорбцияланышынын негизги себеби болуп саналат.
Силикагель курамы SiO2 · nH2 O болуп саналат, силикагелдин эбегейсиз аянты жана бетиндеги бай гидроксил тобу силикагельди эң сонун аткаруу менен уулуу эмес кургаткыч катары колдонсо болот жана өндүрүштө жана жашоодо кеңири колдонулат. .Бул эмгекте силикагель молекулалар аралык суутек байланыштары аркылуу NH3, HCl, SO2, CO2 жана башка газдарды адсорбциялай ала тургандыгы эксперименттин жана теориялык эсептөөнүн эки аспектисинде тастыкталган, ошондуктан силикагель бул газдарды кургатуу үчүн колдонулбайт.Силикагель курамы SiO2 · nH2 O болуп саналат, силикагелдин эбегейсиз аянты жана бетиндеги бай гидроксил тобу силикагельди эң сонун аткаруу менен уулуу эмес кургаткыч катары колдонсо болот жана өндүрүштө жана жашоодо кеңири колдонулат. .Бул эмгекте силикагель молекулалар аралык суутек байланыштары аркылуу NH3, HCl, SO2, CO2 жана башка газдарды адсорбциялай ала тургандыгы эксперименттин жана теориялык эсептөөнүн эки аспектисинде тастыкталган, ошондуктан силикагель бул газдарды кургатуу үчүн колдонулбайт.
３
FIG.6 DFT ыкмасы менен эсептелген ар кандай молекулалар менен силикагель бетинин ортосундагы өз ара аракеттенүү режимдери
Посттун убактысы: Ноябр-14-2023
