Dalam produksi dan kehidupan, silika gel dapat digunakan untuk mengeringkan N2, udara, hidrogen, gas alam [1] dan sebagainya. Menurut asam dan alkali, pengering dapat dibagi menjadi: pengering asam, pengering basa dan pengering netral [2]. Silika gel tampaknya merupakan pengering netral yang mengeringkan NH3, HCl, SO2, dll. Namun, dari sudut pandang prinsip, silika gel terdiri dari dehidrasi antarmolekul tiga dimensi dari molekul asam ortosilikat, badan utamanya adalah SiO2, dan permukaannya kaya akan gugus hidroksil (lihat Gambar 1). Alasan mengapa silika gel dapat menyerap air adalah karena gugus silikon hidroksil pada permukaan silika gel dapat membentuk ikatan hidrogen antarmolekul dengan molekul air, sehingga dapat menyerap air sehingga berperan sebagai pengeringan. Gel silika pengubah warna mengandung ion kobalt, dan setelah air adsorpsi mencapai saturasi, ion kobalt dalam gel silika pengubah warna menjadi ion kobalt terhidrasi, sehingga gel silika biru menjadi merah muda. Setelah silika gel merah muda dipanaskan pada suhu 200℃ selama jangka waktu tertentu, ikatan hidrogen antara silika gel dan molekul air putus, dan silika gel yang berubah warna akan berubah warna menjadi biru kembali, sehingga diagram struktur asam silikat dan silika gel dapat dapat digunakan kembali seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1. Jadi, karena permukaan gel silika kaya akan gugus hidroksil, permukaan gel silika juga dapat membentuk ikatan hidrogen antarmolekul dengan NH3 dan HCl, dll., dan mungkin tidak ada cara untuk bertindak sebagai pengering NH3 dan HCl, dan tidak ada laporan yang relevan dalam literatur yang ada. Jadi apa hasilnya? Subjek ini telah melakukan penelitian eksperimental berikut.
ARA. 1 Diagram struktur asam orto-silikat dan gel silika
2 Bagian Eksperimen
2.1 Eksplorasi ruang lingkup penerapan pengering silika gel - Amonia Pertama, silika gel yang berubah warna ditempatkan masing-masing dalam air suling dan air amonia pekat. Gel silika yang berubah warna berubah menjadi merah muda dalam air suling; Dalam amonia pekat, silikon yang berubah warna mula-mula berubah menjadi merah dan perlahan berubah menjadi biru muda. Hal ini menunjukkan bahwa silika gel dapat menyerap NH3 atau NH3 ·H2 O dalam amonia. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2, kalsium hidroksida padat dan amonium klorida dicampur secara merata dan dipanaskan dalam tabung reaksi. Gas yang dihasilkan dihilangkan dengan kapur alkali dan kemudian dengan gel silika. Warna silika gel di dekat arah masuk menjadi lebih terang (warna cakupan aplikasi pengering silika gel pada Gambar 2 dieksplorasi - amonia 73, fase 8 tahun 2023 pada dasarnya sama dengan warna silika gel yang direndam dalam air amonia pekat), dan kertas uji pH tidak menunjukkan perubahan yang nyata. Hal ini menunjukkan bahwa NH3 yang dihasilkan belum mencapai pH kertas uji dan telah teradsorpsi sempurna. Setelah beberapa waktu, hentikan pemanasan, keluarkan sebagian kecil bola silika gel, masukkan ke dalam air suling, tambahkan fenolftalein ke dalam air, larutan berubah menjadi merah, menunjukkan bahwa gel silika memiliki adsorpsi yang kuat efek pada NH3, setelah air suling dihilangkan, NH3 masuk ke dalam air suling, larutan bersifat basa. Oleh karena itu, karena silika gel memiliki adsorpsi yang kuat terhadap NH3, bahan pengering silikon tidak dapat mengeringkan NH3.
ARA. 2 Eksplorasi ruang lingkup penerapan pengering silika gel - amonia
2.2 Eksplorasi ruang lingkup penerapan pengering silika gel — hidrogen klorida terlebih dahulu membakar padatan NaCl dengan nyala lampu alkohol untuk menghilangkan air basah dalam komponen padat. Setelah sampel didinginkan, asam sulfat pekat ditambahkan ke padatan NaCl sehingga segera menghasilkan gelembung dalam jumlah besar. Gas yang dihasilkan dilewatkan ke dalam tabung pengering berbentuk bola yang berisi silika gel, dan kertas uji pH basah ditempatkan di ujung tabung pengering. Silika gel di ujung depan berubah warna menjadi hijau muda, dan kertas uji pH basah tidak mengalami perubahan yang nyata (lihat Gambar 3). Hal ini menunjukkan bahwa gas HCl yang dihasilkan teradsorpsi sempurna oleh silika gel dan tidak lepas ke udara.
Gambar 3 Penelitian tentang ruang lingkup penerapan pengering silika gel — hidrogen klorida
Silika gel yang menyerap HCl dan berubah warna menjadi hijau muda dimasukkan ke dalam tabung reaksi. Masukkan silika gel biru yang baru ke dalam tabung reaksi, tambahkan asam klorida pekat, silika gel juga menjadi warna hijau muda, kedua warna tersebut pada dasarnya sama. Hal ini menunjukkan gas silika gel dalam tabung pengering berbentuk bola.
2.3 Eksplorasi ruang lingkup aplikasi pengering silika gel - sulfur dioksida Campuran asam sulfat pekat dengan padatan natrium tiosulfat (lihat Gambar 4), NA2s2 O3 +H2 SO4 ==Na2 SO4 +SO2 ↑+S↓+H2 O; Gas yang dihasilkan dilewatkan melalui tabung pengering yang berisi silika gel yang berubah warna, silika gel yang berubah warna menjadi biru muda kehijauan, dan kertas lakmus biru pada ujung kertas uji basah tidak mengalami perubahan yang berarti, hal ini menunjukkan bahwa gas SO2 yang dihasilkan telah berubah warna. telah sepenuhnya teradsorpsi oleh bola silika gel dan tidak dapat keluar.
ARA. 4 Eksplorasi ruang lingkup penerapan pengering silika gel - sulfur dioksida
Lepaskan sebagian bola silika gel dan masukkan ke dalam air suling. Setelah seimbang, ambil sedikit air pada kertas lakmus biru. Kertas uji tidak mengalami perubahan yang signifikan, hal ini menunjukkan bahwa air sulingan tidak cukup untuk mendesorpsi SO2 dari silika gel. Ambil sebagian kecil bola silika gel dan panaskan dalam tabung reaksi. Letakkan kertas lakmus biru basah pada mulut tabung reaksi. Kertas lakmus biru berubah menjadi merah, menandakan bahwa pemanasan membuat gas SO2 terdesorpsi dari bola silika gel sehingga membuat kertas lakmus menjadi merah. Percobaan di atas menunjukkan bahwa silika gel juga memiliki efek adsorpsi yang kuat terhadap SO2 atau H2 SO3, dan tidak dapat digunakan untuk mengeringkan gas SO2.
2.4 Eksplorasi ruang lingkup penerapan pengering silika gel — Karbon dioksida
Seperti ditunjukkan pada Gambar 5, larutan natrium bikarbonat yang meneteskan fenolftalein tampak berwarna merah muda. Padatan natrium bikarbonat dipanaskan dan campuran gas yang dihasilkan dilewatkan melalui tabung pengering yang berisi bola silika gel kering. Gel silika tidak berubah secara signifikan dan natrium bikarbonat yang diteteskan dengan fenolftalein menyerap HCl. Ion kobalt dalam silika gel yang berubah warna membentuk larutan hijau dengan Cl- dan lambat laun menjadi tidak berwarna, menunjukkan adanya kompleks gas CO2 di ujung tabung pengering berbentuk bola. Gel silika berwarna hijau muda ditempatkan dalam air suling, dan gel silika yang berubah warna berangsur-angsur berubah menjadi kuning, menunjukkan bahwa HCl yang teradsorpsi oleh silika gel telah terdesorpsi ke dalam air. Sejumlah kecil larutan berair bagian atas ditambahkan ke dalam larutan perak nitrat yang diasamkan dengan asam nitrat untuk membentuk endapan putih. Sejumlah kecil larutan berair diteteskan pada berbagai kertas uji pH, dan kertas uji berubah menjadi merah, menunjukkan bahwa larutan tersebut bersifat asam. Percobaan di atas menunjukkan bahwa silika gel memiliki adsorpsi yang kuat terhadap gas HCl. HCl adalah molekul yang sangat polar, dan gugus hidroksil pada permukaan gel silika juga memiliki polaritas yang kuat, dan keduanya dapat membentuk ikatan hidrogen antarmolekul atau memiliki interaksi dipol dipol yang relatif kuat, sehingga menghasilkan gaya antarmolekul yang relatif kuat antara permukaan silika. molekul gel dan HCl, sehingga silika gel memiliki adsorpsi HCl yang kuat. Oleh karena itu, bahan pengering silikon tidak dapat digunakan untuk mengeringkan pelepasan HCl, yaitu silika gel tidak menyerap CO2 atau hanya menyerap sebagian CO2.
ARA. 5 Eksplorasi ruang lingkup penerapan pengering silika gel — karbon dioksida
Untuk membuktikan adsorpsi silika gel ke gas karbon dioksida, percobaan berikut dilanjutkan. Bola silika gel dalam tabung pengering berbentuk bola dikeluarkan, dan bagian tersebut dibagi menjadi larutan natrium bikarbonat yang meneteskan fenolftalein. Larutan natrium bikarbonat berubah warna. Hal ini menunjukkan bahwa silika gel menyerap karbon dioksida, dan setelah larut dalam air, karbon dioksida terurai menjadi larutan natrium bikarbonat, sehingga larutan natrium bikarbonat memudar. Sisa bola silikon dipanaskan dalam tabung reaksi kering, dan gas yang dihasilkan dimasukkan ke dalam larutan natrium bikarbonat yang diteteskan dengan fenolftalein. Segera, larutan natrium bikarbonat berubah dari merah muda menjadi tidak berwarna. Hal ini juga menunjukkan bahwa silika gel masih memiliki kapasitas adsorpsi terhadap gas CO2. Namun, gaya adsorpsi silika gel pada CO2 jauh lebih kecil dibandingkan dengan HCl, NH3 dan SO2, dan karbon dioksida hanya dapat teradsorpsi sebagian selama percobaan pada Gambar 5. Alasan mengapa silika gel dapat menyerap sebagian CO2 kemungkinan besar adalah karena bahwa silika gel dan CO2 membentuk ikatan hidrogen antarmolekul Si — OH… O =C. Karena atom karbon pusat CO2 adalah hibrid sp, dan atom silikon dalam gel silika adalah hibrid sp3, molekul CO2 linier tidak bekerja sama dengan baik dengan permukaan gel silika, sehingga gaya adsorpsi gel silika pada karbon dioksida relatif besar. kecil.
3.Perbandingan kelarutan keempat gas dalam air dengan status adsorpsi pada permukaan silika gel Dari hasil percobaan di atas terlihat bahwa silika gel mempunyai kapasitas adsorpsi yang kuat terhadap amonia, hidrogen klorida dan sulfur dioksida, namun kekuatan adsorpsi kecil untuk karbon dioksida (lihat Tabel 1). Hal ini mirip dengan kelarutan empat gas dalam air. Hal ini mungkin karena molekul air mengandung hidroksi-OH, dan permukaan gel silika juga kaya akan hidroksil, sehingga kelarutan keempat gas tersebut dalam air sangat mirip dengan adsorpsinya pada permukaan gel silika. Di antara ketiga gas yaitu gas amonia, hidrogen klorida, dan sulfur dioksida, sulfur dioksida memiliki kelarutan paling kecil dalam air, namun setelah diadsorpsi oleh silika gel, sulfur dioksida paling sulit terdesorpsi di antara ketiga gas tersebut. Setelah silika gel menyerap amonia dan hidrogen klorida, ia dapat didesorpsi dengan air pelarut. Setelah gas sulfur dioksida diserap oleh silika gel, sulit untuk didesorpsi dengan air, dan harus dipanaskan hingga terdesorpsi dari permukaan silika gel. Oleh karena itu, adsorpsi empat gas pada permukaan silika gel harus dihitung secara teoritis.
4 Perhitungan teoritis interaksi antara silika gel dan empat gas disajikan dalam perangkat lunak kuantumisasi ORCA [4] di bawah kerangka teori fungsional densitas (DFT). Metode DFT D/B3LYP/Def2 TZVP digunakan untuk menghitung mode interaksi dan energi antara berbagai gas dan silika gel. Untuk menyederhanakan perhitungan, padatan silika gel diwakili oleh molekul asam ortosilikat tetramerik. Hasil perhitungan menunjukkan bahwa H2 O, NH3 dan HCl semuanya dapat membentuk ikatan hidrogen dengan gugus hidroksil pada permukaan silika gel (lihat Gambar 6a~c). Mereka memiliki energi pengikatan yang relatif kuat pada permukaan silika gel (lihat Tabel 2) dan mudah teradsorpsi pada permukaan silika gel. Karena energi ikat NH3 dan HCl serupa dengan H2 O, pencucian dengan air dapat menyebabkan desorpsi kedua molekul gas tersebut. Untuk molekul SO2, energi ikatnya hanya -17,47 kJ/mol, jauh lebih kecil dibandingkan ketiga molekul di atas. Namun percobaan tersebut menegaskan bahwa gas SO2 mudah teradsorpsi pada silika gel, bahkan pencucian pun tidak dapat mendesorpsinya, dan hanya pemanasan yang dapat membuat SO2 keluar dari permukaan silika gel. Oleh karena itu, kami menduga bahwa SO2 kemungkinan besar akan bergabung dengan H2 O pada permukaan silika gel untuk membentuk fraksi H2 SO3. Gambar 6e menunjukkan bahwa molekul H2 SO3 secara bersamaan membentuk tiga ikatan hidrogen dengan atom hidroksil dan oksigen pada permukaan gel silika, dan energi ikatnya mencapai -76,63 kJ/mol, yang menjelaskan mengapa SO2 teradsorpsi pada silika gel sulit dihilangkan dengan air. CO2 non-polar memiliki kemampuan pengikatan paling lemah dengan silika gel, dan hanya dapat diserap sebagian oleh silika gel. Meskipun energi pengikatan H2 CO3 dan silika gel juga mencapai -65,65 kJ/mol, namun laju konversi CO2 menjadi H2 CO3 tidak tinggi sehingga laju adsorpsi CO2 juga berkurang. Terlihat dari data di atas bahwa polaritas molekul gas bukanlah satu-satunya kriteria untuk menilai apakah ia dapat diadsorpsi oleh silika gel, dan ikatan hidrogen yang terbentuk pada permukaan silika gel adalah alasan utama stabilnya adsorpsi.
Komposisi silika gel adalah SiO2 ·nH2 O, luas permukaan silika gel yang besar dan kaya akan gugus hidroksil di permukaan membuat silika gel dapat digunakan sebagai pengering tidak beracun dengan kinerja yang sangat baik, dan banyak digunakan dalam produksi dan kehidupan. . Dalam tulisan ini, dikonfirmasi dari dua aspek percobaan dan perhitungan teoritis bahwa silika gel dapat menyerap NH3, HCl, SO2, CO2 dan gas lainnya melalui ikatan hidrogen antarmolekul, sehingga silika gel tidak dapat digunakan untuk mengeringkan gas-gas tersebut. Komposisi silika gel adalah SiO2 ·nH2 O, luas permukaan silika gel yang besar dan kaya akan gugus hidroksil di permukaan membuat silika gel dapat digunakan sebagai pengering tidak beracun dengan kinerja yang sangat baik, dan banyak digunakan dalam produksi dan kehidupan. . Dalam tulisan ini, dikonfirmasi dari dua aspek percobaan dan perhitungan teoritis bahwa silika gel dapat menyerap NH3, HCl, SO2, CO2 dan gas lainnya melalui ikatan hidrogen antarmolekul, sehingga silika gel tidak dapat digunakan untuk mengeringkan gas-gas tersebut.
３
ARA. 6 Mode interaksi antara molekul berbeda dan permukaan silika gel dihitung dengan metode DFT
Waktu posting: 14 November 2023
