Dans la production et la vie, le gel de silice peut être utilisé pour sécher le N2, l'air, l'hydrogène, le gaz naturel [1], etc. Selon l'acide et l'alcali, le dessicant peut être divisé en : dessicant acide, dessicant alcalin et dessicant neutre [2]. Le gel de silice semble être un séchoir neutre qui semble sécher le NH3, le HCl, le SO2, etc. Cependant, du point de vue principal, le gel de silice est composé d'une déshydratation intermoléculaire tridimensionnelle de molécules d'acide orthosilicique, le corps principal est SiO2, et la surface est riche en groupes hydroxyles (voir Figure 1). La raison pour laquelle le gel de silice peut absorber l'eau est que le groupe hydroxyle de silicium à la surface du gel de silice peut former des liaisons hydrogène intermoléculaires avec les molécules d'eau, de sorte qu'il peut adsorber l'eau et ainsi jouer un rôle de séchage. Le gel de silice changeant de couleur contient des ions cobalt, et une fois que l'eau d'adsorption atteint la saturation, les ions cobalt dans le gel de silice changeant de couleur deviennent des ions cobalt hydratés, de sorte que le gel de silice bleu devient rose. Après avoir chauffé le gel de silice rose à 200 ℃ pendant un certain temps, la liaison hydrogène entre le gel de silice et les molécules d'eau se rompt et le gel de silice décoloré redeviendra bleu, de sorte que le diagramme structurel de l'acide silicique et du gel de silice puisse être réutilisé comme le montre la figure 1. Ainsi, puisque la surface du gel de silice est riche en groupes hydroxyles, la surface du gel de silice peut également former des liaisons hydrogène intermoléculaires avec NH3 et HCl, etc., et il peut n'y avoir aucun moyen d'agir comme un déshydratant de NH3 et de HCl, et il n'existe aucun rapport pertinent dans la littérature existante. Alors, quels ont été les résultats ? Ce sujet a fait les recherches expérimentales suivantes.
FIGUE. 1 Diagramme structurel de l'acide ortho-silicique et du gel de silice
2 Partie Expérience
2.1 Exploration du champ d'application du dessicant de gel de silice - Ammoniac Tout d'abord, le gel de silice décoloré a été placé respectivement dans de l'eau distillée et de l'eau ammoniaquée concentrée. Le gel de silice décoloré devient rose dans l'eau distillée ; Dans l'ammoniac concentré, le silicone qui change de couleur devient d'abord rouge et devient lentement bleu clair. Cela montre que le gel de silice peut absorber le NH3 ou le NH3 ·H2 O dans l'ammoniac. Comme le montre la figure 2, l'hydroxyde de calcium solide et le chlorure d'ammonium sont uniformément mélangés et chauffés dans un tube à essai. Le gaz résultant est éliminé par de la chaux alcaline puis par du gel de silice. La couleur du gel de silice près de la direction d'entrée devient plus claire (la couleur du champ d'application du dessicant de gel de silice sur la figure 2 est explorée - ammoniac 73, la 8ème phase de 2023 est fondamentalement la même que la couleur du gel de silice imbibé dans de l'eau ammoniacale concentrée), et le papier test pH ne présente aucun changement évident. Cela indique que le NH3 produit n’a pas atteint le papier test pH et qu’il a été complètement adsorbé. Après un certain temps, arrêtez le chauffage, retirez une petite partie de la boule de gel de silice, mettez-la dans l'eau distillée, ajoutez de la phénolphtaléine à l'eau, la solution devient rouge, indiquant que le gel de silice a un fort effet d'adsorption sur NH3, une fois l'eau distillée détachée, NH3 entre dans l'eau distillée, la solution est alcaline. Par conséquent, comme le gel de silice a une forte adsorption pour le NH3, l'agent de séchage au silicone ne peut pas sécher le NH3.
FIGUE. 2 Exploration du champ d'application du dessicant au gel de silice — ammoniac
2.2 Exploration du champ d'application du déshydratant au gel de silice — le chlorure d'hydrogène brûle d'abord les solides NaCl avec la flamme d'une lampe à alcool pour éliminer l'eau humide contenue dans les composants solides. Une fois l’échantillon refroidi, de l’acide sulfurique concentré est ajouté aux solides NaCl pour produire immédiatement un grand nombre de bulles. Le gaz généré est passé dans un tube de séchage sphérique contenant du gel de silice, et un papier test de pH humide est placé à l'extrémité du tube de séchage. Le gel de silice à l’avant devient vert clair et le papier test de pH humide ne présente aucun changement évident (voir Figure 3). Cela montre que le gaz HCl généré est complètement adsorbé par le gel de silice et ne s’échappe pas dans l’air.
Figure 3 Recherche sur le champ d'application du dessicant au gel de silice — chlorure d'hydrogène
Le gel de silice adsorbant le HCl et devenu vert clair a été placé dans un tube à essai. Mettez le nouveau gel de silice bleu dans le tube à essai, ajoutez de l'acide chlorhydrique concentré, le gel de silice devient également de couleur vert clair, les deux couleurs sont fondamentalement les mêmes. Ceci montre le gaz de gel de silice dans le tube de séchage sphérique.
2.3 Exploration du champ d'application du déshydratant au gel de silice — dioxyde de soufre Mélange d'acide sulfurique concentré avec du thiosulfate de sodium solide (voir Figure 4), NA2s2 O3 + H2 SO4 ==Na2 SO4 + SO2 ↑+S↓+H2 O ; Le gaz généré passe à travers le tube de séchage contenant le gel de silice décoloré, le gel de silice décoloré devient bleu-vert clair et le papier de tournesol bleu à l'extrémité du papier test humide ne change pas de manière significative, indiquant que le gaz SO2 généré a a été complètement adsorbé par la boule de gel de silice et ne peut pas s'échapper.
FIGUE. 4 Exploration du champ d'application du dessicant au gel de silice — dioxyde de soufre
Retirez une partie de la boule de gel de silice et mettez-la dans de l'eau distillée. Après l'équilibre complet, prenez une petite quantité de goutte d'eau sur le papier tournesol bleu. Le papier test ne change pas de manière significative, ce qui indique que l'eau distillée n'est pas suffisante pour désorber le SO2 du gel de silice. Prenez une petite partie de la boule de gel de silice et faites-la chauffer dans le tube à essai. Mettez du papier de tournesol bleu humide à l’embouchure du tube à essai. Le papier tournesol bleu devient rouge, indiquant que le chauffage fait désorber le SO2 gazeux de la boule de gel de silice, rendant ainsi le papier tournesol rouge. Les expériences ci-dessus montrent que le gel de silice a également un fort effet d'adsorption sur le SO2 ou le H2 SO3 et ne peut pas être utilisé pour sécher le gaz SO2.
2.4 Exploration du champ d'application du dessicant au gel de silice — Dioxyde de carbone
Comme le montre la figure 5, la solution de bicarbonate de sodium dégoulinant de phénolphtaléine apparaît en rouge clair. Le solide de bicarbonate de sodium est chauffé et le mélange gazeux résultant passe à travers un tube de séchage contenant des sphères de gel de silice séchées. Le gel de silice ne change pas de manière significative et le bicarbonate de sodium dégoulinant de phénolphtaléine adsorbe l'HCl. L'ion cobalt dans le gel de silice décoloré forme une solution verte avec Cl- et devient progressivement incolore, indiquant la présence d'un complexe gazeux CO2 à l'extrémité du tube de séchage sphérique. Le gel de silice vert clair est placé dans de l'eau distillée et le gel de silice décoloré vire progressivement au jaune, indiquant que le HCl adsorbé par le gel de silice a été désorbé dans l'eau. Une petite quantité de la solution aqueuse supérieure a été ajoutée à la solution de nitrate d'argent acidifiée par l'acide nitrique pour former un précipité blanc. Une petite quantité de solution aqueuse tombe sur une large gamme de papier test de pH, et le papier test devient rouge, indiquant que la solution est acide. Les expériences ci-dessus montrent que le gel de silice a une forte adsorption sur le gaz HCl. HCl est une molécule fortement polaire, et le groupe hydroxyle à la surface du gel de silice a également une forte polarité, et les deux peuvent former des liaisons hydrogène intermoléculaires ou avoir une interaction dipolaire dipolaire relativement forte, ce qui entraîne une force intermoléculaire relativement forte entre la surface de la silice. molécules de gel et de HCl, le gel de silice a donc une forte adsorption de HCl. Par conséquent, l'agent de séchage à base de silicone ne peut pas être utilisé pour sécher les fuites de HCl, c'est-à-dire que le gel de silice n'adsorbe pas le CO2 ou n'adsorbe que partiellement le CO2.
FIGUE. 5 Exploration du champ d'application du dessicant au gel de silice — dioxyde de carbone
Afin de prouver l’adsorption du gel de silice sur le dioxyde de carbone, les expériences suivantes sont poursuivies. La boule de gel de silice dans le tube de séchage sphérique a été retirée et la partie a été divisée dans une solution de bicarbonate de sodium dégoulinant de phénolphtaléine. La solution de bicarbonate de sodium est décolorée. Cela montre que le gel de silice adsorbe le dioxyde de carbone et qu'une fois soluble dans l'eau, le dioxyde de carbone se désorbe dans la solution de bicarbonate de sodium, provoquant ainsi la décoloration de la solution de bicarbonate de sodium. La partie restante de la bille de silicone est chauffée dans un tube à essai sec et le gaz résultant est passé dans une solution de bicarbonate de sodium dégoulinant de phénolphtaléine. Bientôt, la solution de bicarbonate de sodium passe du rouge clair à l'incolore. Cela montre également que le gel de silice a toujours une capacité d’adsorption du gaz CO2. Cependant, la force d'adsorption du gel de silice sur le CO2 est bien inférieure à celle du HCl, du NH3 et du SO2, et le dioxyde de carbone ne peut être que partiellement adsorbé au cours de l'expérience de la figure 5. La raison pour laquelle le gel de silice peut partiellement adsorber le CO2 est probablement que le gel de silice et le CO2 forment des liaisons hydrogène intermoléculaires Si — OH… O =C. Étant donné que l'atome de carbone central du CO2 est un hybride sp et que l'atome de silicium dans le gel de silice est un hybride sp3, la molécule linéaire de CO2 ne coopère pas bien avec la surface du gel de silice, ce qui entraîne que la force d'adsorption du gel de silice sur le dioxyde de carbone est relativement petit.
3. Comparaison entre la solubilité des quatre gaz dans l'eau et l'état d'adsorption à la surface du gel de silice. D'après les résultats expérimentaux ci-dessus, on peut voir que le gel de silice a une forte capacité d'adsorption pour l'ammoniac, le chlorure d'hydrogène et le dioxyde de soufre, mais une petite force d'adsorption pour le dioxyde de carbone (voir tableau 1). Ceci est similaire à la solubilité des quatre gaz dans l’eau. Cela peut être dû au fait que les molécules d'eau contiennent de l'hydroxy-OH et que la surface du gel de silice est également riche en hydroxyle, de sorte que la solubilité de ces quatre gaz dans l'eau est très similaire à son adsorption à la surface du gel de silice. Parmi les trois gaz que sont l'ammoniac, le chlorure d'hydrogène et le dioxyde de soufre, le dioxyde de soufre a la plus faible solubilité dans l'eau, mais après avoir été adsorbé par le gel de silice, il est le plus difficile à désorber parmi les trois gaz. Une fois que le gel de silice a adsorbé l'ammoniac et le chlorure d'hydrogène, il peut être désorbé avec de l'eau dissolvante. Une fois que le dioxyde de soufre gazeux est adsorbé par le gel de silice, il est difficile de se désorber avec de l'eau et doit être chauffé jusqu'à ce qu'il soit désorbé à partir de la surface du gel de silice. Par conséquent, l’adsorption de quatre gaz à la surface du gel de silice doit être calculée théoriquement.
4 Le calcul théorique de l'interaction entre le gel de silice et quatre gaz est présenté dans le logiciel de quantumisation ORCA [4] dans le cadre de la théorie fonctionnelle de la densité (DFT). La méthode DFT D/B3LYP/Def2 TZVP a été utilisée pour calculer les modes d'interaction et les énergies entre différents gaz et le gel de silice. Afin de simplifier le calcul, les solides de gel de silice sont représentés par des molécules d'acide orthosilicique tétramère. Les résultats du calcul montrent que H2 O, NH3 et HCl peuvent tous former des liaisons hydrogène avec le groupe hydroxyle à la surface du gel de silice (voir Figure 6a ~ c). Ils ont une énergie de liaison relativement forte à la surface du gel de silice (voir tableau 2) et sont facilement adsorbés sur la surface du gel de silice. L’énergie de liaison du NH3 et du HCl étant similaire à celle du H2 O, le lavage à l’eau peut conduire à la désorption de ces deux molécules de gaz. Pour la molécule SO2, son énergie de liaison n’est que de -17,47 kJ/mol, ce qui est beaucoup plus petit que les trois molécules ci-dessus. Cependant, l'expérience a confirmé que le SO2 gazeux est facilement adsorbé sur le gel de silice, et même le lavage ne peut pas le désorber, et seul le chauffage peut faire échapper le SO2 de la surface du gel de silice. Par conséquent, nous avons deviné que le SO2 est susceptible de se combiner avec H2 O à la surface du gel de silice pour former des fractions H2 SO3. La figure 6e montre que la molécule H2 SO3 forme simultanément trois liaisons hydrogène avec les atomes d'hydroxyle et d'oxygène à la surface du gel de silice, et que l'énergie de liaison atteint -76,63 kJ/mol, ce qui explique pourquoi le SO2 est adsorbé sur le gel de silice est difficile à éluder avec de l'eau. Le CO2 non polaire a la capacité de liaison la plus faible avec le gel de silice et ne peut être que partiellement adsorbé par le gel de silice. Bien que l’énergie de liaison du H2 CO3 et du gel de silice ait également atteint -65,65 kJ/mol, le taux de conversion du CO2 en H2 CO3 n’était pas élevé, de sorte que le taux d’adsorption du CO2 était également réduit. Il ressort des données ci-dessus que la polarité de la molécule de gaz n'est pas le seul critère pour juger si elle peut être adsorbée par le gel de silice, et que la liaison hydrogène formée avec la surface du gel de silice est la principale raison de son adsorption stable.
La composition du gel de silice est SiO2 · nH2 O, l'énorme surface du gel de silice et le riche groupe hydroxyle sur la surface permettent au gel de silice d'être utilisé comme séchoir non toxique avec d'excellentes performances et est largement utilisé dans la production et la vie. . Dans cet article, il est confirmé par deux aspects de l'expérience et du calcul théorique que le gel de silice peut adsorber le NH3, le HCl, le SO2, le CO2 et d'autres gaz via des liaisons hydrogène intermoléculaires, de sorte que le gel de silice ne peut pas être utilisé pour sécher ces gaz. La composition du gel de silice est SiO2 · nH2 O, l'énorme surface du gel de silice et le riche groupe hydroxyle sur la surface permettent au gel de silice d'être utilisé comme séchoir non toxique avec d'excellentes performances et est largement utilisé dans la production et la vie. . Dans cet article, il est confirmé par deux aspects de l'expérience et du calcul théorique que le gel de silice peut adsorber le NH3, le HCl, le SO2, le CO2 et d'autres gaz via des liaisons hydrogène intermoléculaires, de sorte que le gel de silice ne peut pas être utilisé pour sécher ces gaz.
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FIGUE. 6 modes d'interaction entre différentes molécules et surface du gel de silice calculés par la méthode DFT
Heure de publication : 14 novembre 2023
