Ishlab chiqarish va hayotda silikagel N2, havo, vodorod, tabiiy gaz [1] va boshqalarni quritish uchun ishlatilishi mumkin. Kislota va gidroksidi bo'yicha quritgichni quyidagilarga bo'lish mumkin: kislota qurituvchi, ishqorli qurituvchi va neytral qurituvchi [2]. Silika jel NH3, HCl, SO2 va boshqalarni quritadigan neytral quritgich bo'lib ko'rinadi. Biroq, printsipial nuqtai nazardan, silika jeli ortosilik kislota molekulalarining uch o'lchovli molekulalararo dehidratsiyasidan iborat bo'lib, asosiy tanasi SiO2, yuzasi esa gidroksil guruhlarga boy (1-rasmga qarang). Silika jeli suvni o'ziga singdira olishining sababi shundaki, silikagel yuzasida silikon gidroksil guruhi suv molekulalari bilan molekulalararo vodorod aloqalarini hosil qilishi mumkin, shuning uchun u suvni adsorbsiyalashi va shu bilan quritish rolini o'ynashi mumkin. Rangni o'zgartiruvchi silika jeli kobalt ionlarini o'z ichiga oladi va adsorbsion suv to'yinganlikka erishgandan so'ng, rangni o'zgartiruvchi silikageldagi kobalt ionlari gidratlangan kobalt ionlariga aylanadi, shuning uchun ko'k silikagel pushti rangga aylanadi. Pushti silika jelini bir muddat 200 ℃ haroratda qizdirgandan so'ng, silika jeli va suv molekulalari o'rtasidagi vodorod aloqasi buziladi va rangi o'zgargan silika jeli yana ko'k rangga aylanadi, shunda kremniy kislotasi va silika jelining struktura diagrammasi bo'lishi mumkin. 1-rasmda ko'rsatilganidek, qayta ishlatilishi mumkin. Shunday qilib, silikagel yuzasi gidroksil guruhlarga boy bo'lganligi sababli, silikagel yuzasi ham NH3 va HCl va boshqalar bilan molekulalararo vodorod aloqalarini hosil qilishi mumkin va bu kabi harakat qilishning hech qanday usuli bo'lmasligi mumkin. NH3 va HCl ning qurituvchisi va mavjud adabiyotlarda tegishli hisobot yo'q. Xo'sh, natijalar qanday bo'ldi? Ushbu mavzu quyidagi eksperimental tadqiqotni amalga oshirdi.
ANJIR. 1 Orto-kremniy kislotasi va silikagelning tuzilish diagrammasi
2 Tajriba qismi
2.1 Silikagel qurituvchi - ammiakni qo'llash doirasini o'rganish Birinchidan, rangi o'zgargan silikagel mos ravishda distillangan suvga va konsentrlangan ammiak suviga joylashtirildi. Rangi o'zgargan silikagel distillangan suvda pushti rangga aylanadi; Konsentrlangan ammiakda rangni o'zgartiruvchi silikon birinchi navbatda qizil rangga aylanadi va asta-sekin och ko'k rangga aylanadi. Bu shuni ko'rsatadiki, silikagel ammiakda NH3 yoki NH3 ·H2 O ni o'zlashtira oladi. 2-rasmda ko'rsatilganidek, qattiq kaltsiy gidroksid va ammoniy xlorid bir tekis aralashtiriladi va probirkada qizdiriladi. Olingan gaz ishqorli ohak, keyin esa silikagel yordamida chiqariladi. Kirish yo'nalishi yaqinidagi silikagelning rangi ochroq bo'ladi (2-rasmda silikagel quritgichining qo'llanish doirasi rangi o'rganilgan - ammiak 73, 2023 yil 8-bosqichi asosan namlangan silikagelning rangi bilan bir xil. konsentrlangan ammiakli suvda) va pH test qog'ozida aniq o'zgarish yo'q. Bu ishlab chiqarilgan NH3 ning pH sinov qog'oziga etib bormaganligini va u to'liq adsorbsiyalanganligini ko'rsatadi. Bir muncha vaqt o'tgach, isitishni to'xtating, silika jel to'pining kichik qismini oling, uni distillangan suvga soling, suvga fenolftalein qo'shing, eritma qizil rangga aylanadi, bu silikagel kuchli adsorbsion ta'sirga ega ekanligini ko'rsatadi. NH3, distillangan suv ajratilgandan so'ng, NH3 distillangan suvga kiradi, eritma ishqoriydir. Shuning uchun, silika jeli NH3 uchun kuchli adsorbsiyaga ega bo'lganligi sababli, silikon quritish agenti NH3 ni qurita olmaydi.
ANJIR. 2 Silikagel qurituvchi - ammiakni qo'llash doirasini o'rganish
2.2 Silikagel quritgichni qo'llash doirasini o'rganish - vodorod xlorid qattiq tarkibiy qismlardagi nam suvni olib tashlash uchun birinchi navbatda NaCl qattiq moddalarini spirtli chiroq olovi bilan yondiradi. Namuna sovutilgandan so'ng, NaCl qattiq moddalariga konsentrlangan sulfat kislota qo'shiladi va darhol ko'p miqdorda pufakchalar hosil bo'ladi. Hosil boʻlgan gaz silikagel boʻlgan sharsimon quritish trubasiga oʻtkaziladi va quritish nayining uchiga hoʻl pH sinov qogʻozi qoʻyiladi. Old tomondagi silikagel och yashil rangga aylanadi va nam pH test qog'ozida aniq o'zgarish yo'q (3-rasmga qarang). Bu hosil bo'lgan HCl gazining silikagel tomonidan to'liq adsorbsiyalanganligini va havoga chiqmasligini ko'rsatadi.
Shakl 3 Silikagel qurituvchi - vodorod xloridni qo'llash sohasi bo'yicha tadqiqotlar
Silikagel HCl ni adsorbsiya qildi va och yashil rangga aylandi, probirkaga solingan. Yangi ko'k silikagelni probirkaga soling, konsentrlangan xlorid kislota qo'shing, silikagel ham och yashil rangga aylanadi, ikkita rang asosan bir xil bo'ladi. Bu sferik quritish trubkasidagi silikagel gazini ko'rsatadi.
2.3 Silikagel qurituvchi - oltingugurt dioksidini qo'llash doirasini o'rganish. Natriy tiosulfat qattiq moddasi bilan aralash konsentrlangan sulfat kislota (4-rasmga qarang), NA2s2 O3 +H2 SO4 ==Na2 SO4 +SO2 ↑+S↓+H2 O; Hosil bo'lgan gaz rangi o'zgargan silikagelni o'z ichiga olgan quritish trubkasidan o'tkaziladi, rangi o'zgargan silikagel och ko'k-yashil rangga aylanadi va nam sinov qog'ozining oxiridagi ko'k lakmus qog'ozi sezilarli darajada o'zgarmaydi, bu hosil bo'lgan SO2 gazining borligini ko'rsatadi. silika gel to'pi tomonidan to'liq adsorbsiyalangan va qochib qutula olmaydi.
ANJIR. 4 Silikagel qurituvchi - oltingugurt dioksidini qo'llash sohasini o'rganish.
Silika jel to'pining bir qismini echib oling va uni distillangan suvga soling. To'liq muvozanatdan so'ng, ko'k lakmus qog'oziga oz miqdorda suv tomchisini oling. Sinov qog'ozi sezilarli darajada o'zgarmaydi, bu distillangan suv silikageldan SO2 ni desorbsiyalash uchun etarli emasligini ko'rsatadi. Silikagel sharining kichik qismini olib, probirkada qizdiring. Probirka og'ziga ho'l ko'k lakmus qog'oz soling. Moviy lakmus qog'ozi qizil rangga aylanadi, bu isitish silikagel sharidan SO2 gazini desorbsiyalashini va shu bilan lakmus qog'ozini qizil rangga aylantirishini ko'rsatadi. Yuqoridagi tajribalar shuni ko'rsatadiki, silikagel SO2 yoki H2 SO3 ga ham kuchli adsorbsion ta'sir ko'rsatadi va SO2 gazini quritish uchun ishlatilmaydi.
2.4 Silikagel qurituvchi - karbonat angidridni qo'llash sohasini o'rganish
5-rasmda ko'rsatilganidek, fenolftalein tomizayotgan natriy gidrokarbonat eritmasi och qizil rangda ko'rinadi. Qattiq natriy gidrokarbonat isitiladi va hosil bo'lgan gaz aralashmasi quritilgan silikagel sharlari bo'lgan quritish naychasidan o'tkaziladi. Silikagel sezilarli darajada o'zgarmaydi va fenolftalein bilan tomizilgan natriy bikarbonat HCl ni adsorbsiya qiladi. Rangi o‘zgargan silikagel tarkibidagi kobalt ioni Cl- bilan yashil eritma hosil qiladi va asta-sekin rangsiz bo‘lib qoladi, bu esa sharsimon quritish trubkasi uchida CO2 gaz kompleksi mavjudligini ko‘rsatadi. Och-yashil silikagel distillangan suvga joylashtiriladi va rangi o'zgargan silikagel asta-sekin sariq rangga o'zgaradi, bu silikagel bilan adsorbsiyalangan HCl suvga desorbsiyalanganligini ko'rsatadi. Oq cho'kma hosil qilish uchun nitrat kislota bilan kislotalangan kumush nitrat eritmasiga oz miqdorda yuqori suvli eritma qo'shildi. Keng diapazondagi pH test qog'oziga oz miqdorda suvli eritma tomiziladi va sinov qog'ozi qizil rangga aylanadi, bu eritmaning kislotali ekanligini ko'rsatadi. Yuqoridagi tajribalar shuni ko'rsatadiki, silikagel HCl gaziga kuchli adsorbsiyaga ega. HCl kuchli qutbli molekuladir va silika jeli yuzasidagi gidroksil guruhi ham kuchli qutblanishga ega va ikkalasi molekulalararo vodorod aloqalarini hosil qilishi yoki nisbatan kuchli dipol dipol o'zaro ta'siriga ega bo'lishi mumkin, natijada silika yuzasi o'rtasida nisbatan kuchli molekulalararo kuch paydo bo'ladi. jel va HCl molekulalari, shuning uchun silika jeli HCl ning kuchli adsorbsiyasiga ega. Shuning uchun, silikon quritish agenti HCl qochib quritish uchun foydalanish mumkin emas, ya'ni, silika jel CO2 adsorbsiya emas yoki faqat qisman CO2 adsorbsiya.
ANJIR. 5 Silikagel qurituvchi - karbonat angidridni qo'llash sohasini o'rganish
Silikagelning karbonat angidrid gaziga adsorbsiyasini isbotlash uchun quyidagi tajribalar davom ettiriladi. Sferik quritish trubkasidagi silika jeli to'pi olib tashlandi va uning qismi fenolftalein tomizuvchi natriy bikarbonat eritmasiga bo'lingan. Natriy gidrokarbonat eritmasi rangsizlandi. Bu shuni ko'rsatadiki, silika jeli karbonat angidridni adsorbsiyalaydi va suvda erigandan so'ng, karbonat angidrid natriy bikarbonat eritmasiga so'riladi va natriy gidrokarbonat eritmasini yo'qotadi. Silikon sharning qolgan qismi quruq probirkada isitiladi va hosil bo'lgan gaz fenolftalein bilan tomizilgan natriy gidrokarbonat eritmasiga o'tkaziladi. Tez orada natriy gidrokarbonat eritmasi och qizil rangdan rangsizga o'zgaradi. Bu, shuningdek, silika jel hali ham CO2 gazi uchun adsorbsiya qobiliyatiga ega ekanligini ko'rsatadi. Biroq, silikagelning CO2 ga adsorbsion kuchi HCl, NH3 va SO2 ga qaraganda ancha kichikdir va 5-rasmdagi tajriba davomida karbonat angidrid faqat qisman adsorbsiyalanishi mumkin. silikagel va CO2 molekulalararo vodorod aloqalarini hosil qiladi Si — OH... O =C. CO2 ning markaziy uglerod atomi sp gibrid va silika jelidagi kremniy atomi sp3 gibrid bo'lganligi sababli, chiziqli CO2 molekulasi silikagel yuzasi bilan yaxshi hamkorlik qilmaydi, natijada silika jelining karbonat angidridga adsorbsiya kuchi nisbatan bo'ladi. kichik.
3.To'rt gazning suvda eruvchanligi va silikagel yuzasida adsorbsiya holati o'rtasidagi taqqoslash Yuqoridagi tajriba natijalaridan ko'rinib turibdiki, silikagel ammiak, vodorod xlorid va oltingugurt dioksidi uchun kuchli adsorbsiya qobiliyatiga ega, ammo karbonat angidrid uchun kichik adsorbsion kuch (1-jadvalga qarang). Bu to'rtta gazning suvdagi eruvchanligiga o'xshaydi. Buning sababi shundaki, suv molekulalari gidroksi-OH o'z ichiga oladi va silikagelning yuzasi ham gidroksilga boy, shuning uchun bu to'rt gazning suvda eruvchanligi uning silikagel yuzasida adsorbsiyasiga juda o'xshaydi. Ammiak gazi, vodorod xlorid va oltingugurt dioksidining uchta gazi orasida oltingugurt dioksidi suvda eng kichik eruvchanlikka ega, ammo silikagel tomonidan adsorbsiyalangandan so'ng, uchta gaz orasida desorbsiya qilish eng qiyin hisoblanadi. Silikagel ammiak va vodorod xloridni adsorbsiya qilgandan so'ng, uni erituvchi suv bilan desorbsiyalash mumkin. Oltingugurt dioksidi gazi silikagel tomonidan adsorbsiyalangandan so'ng, uni suv bilan desorbsiyalash qiyin va silikagel yuzasidan desorbsiyaga qadar qizdirilishi kerak. Shuning uchun silikagel yuzasida to'rtta gazning adsorbsiyasini nazariy jihatdan hisoblash kerak.
4 Silikagel va to'rtta gaz o'rtasidagi o'zaro ta'sirning nazariy hisobi zichlik funktsional nazariyasi (DFT) doirasida kvantizatsiya ORCA dasturida [4] keltirilgan. DFT D/B3LYP/Def2 TZVP usuli turli gazlar va silikagel o'rtasidagi o'zaro ta'sir qilish rejimlari va energiyalarini hisoblash uchun ishlatilgan. Hisoblashni soddalashtirish uchun silika jeli qattiq moddalari tetramerik ortosilikat kislota molekulalari bilan ifodalanadi. Hisoblash natijalari shuni ko'rsatadiki, H2 O, NH3 va HCl silikagel yuzasida gidroksil guruhi bilan vodorod aloqalarini hosil qilishi mumkin (6a ~ c-rasmga qarang). Ular silikagel yuzasida nisbatan kuchli bog'lanish energiyasiga ega (2-jadvalga qarang) va silikagel yuzasida osongina adsorbsiyalanadi. NH3 va HCl ning bog'lanish energiyasi H2 O ga o'xshash bo'lganligi sababli, suvni yuvish bu ikki gaz molekulasining desorbsiyasiga olib kelishi mumkin. SO2 molekulasi uchun uning bog'lanish energiyasi bor-yo'g'i -17,47 kJ/mol ni tashkil qiladi, bu yuqoridagi uchta molekuladan ancha kichikdir. Biroq, tajriba SO2 gazining silikagelga oson adsorbsiyalanishini va hatto yuvishda ham uni desorbsiyalash mumkin emasligi va faqat isitish SO2 ni silikagel yuzasidan chiqib ketishini tasdiqladi. Shuning uchun biz SO2 ning silikagel yuzasida H2 O bilan birikib H2 SO3 fraktsiyalarini hosil qilishini taxmin qildik. 6e-rasmda H2 SO3 molekulasi bir vaqtning o'zida silikagel yuzasida gidroksil va kislorod atomlari bilan uchta vodorod bog'ini hosil qilishini va bog'lanish energiyasi -76,63 kJ/mol yuqori ekanligini ko'rsatadi, bu esa SO2 ning nima uchun adsorbsiyalanganligini tushuntiradi. silikagelni suv bilan olib tashlash qiyin. Polar bo'lmagan CO2 silika jeli bilan eng zaif bog'lanish qobiliyatiga ega va faqat qisman silika jeli bilan adsorbsiyalanishi mumkin. H2 CO3 va silikagelning bog'lanish energiyasi ham -65,65 kJ / molga yetgan bo'lsa-da, CO2 ning H2 CO3 ga aylanish tezligi yuqori emas edi, shuning uchun CO2 ning adsorbsiya tezligi ham kamaydi. Yuqoridagi ma'lumotlardan ko'rinib turibdiki, gaz molekulasining qutbliligi uni silikagel bilan adsorbsiyalash mumkinmi yoki yo'qligini baholash uchun yagona mezon emas va silikagel yuzasi bilan hosil bo'lgan vodorod bog'i uning barqaror adsorbsiyasining asosiy sababidir.
Silikagelning tarkibi SiO2 · nH2 O, silikagelning katta sirt maydoni va sirtdagi boy gidroksil guruhi silikagelni mukammal ishlashga ega toksik bo'lmagan quritgich sifatida ishlatishi mumkin va ishlab chiqarishda va hayotda keng qo'llaniladi. . Ushbu maqolada silikagel NH3, HCl, SO2, CO2 va boshqa gazlarni molekulalararo vodorod aloqalari orqali adsorbsiyalashi mumkinligi eksperiment va nazariy hisoblashning ikki jihati bilan tasdiqlangan, shuning uchun silikagel bu gazlarni quritish uchun ishlatilmaydi. Silikagelning tarkibi SiO2 · nH2 O, silikagelning katta sirt maydoni va sirtdagi boy gidroksil guruhi silikagelni mukammal ishlashga ega toksik bo'lmagan quritgich sifatida ishlatishi mumkin va ishlab chiqarishda va hayotda keng qo'llaniladi. . Ushbu maqolada silikagel NH3, HCl, SO2, CO2 va boshqa gazlarni molekulalararo vodorod aloqalari orqali adsorbsiyalashi mumkinligi eksperiment va nazariy hisoblashning ikki jihati bilan tasdiqlangan, shuning uchun silikagel bu gazlarni quritish uchun ishlatilmaydi.
３
ANJIR. 6 DFT usuli bilan hisoblangan turli molekulalar va silika jeli yuzasi o'rtasidagi o'zaro ta'sir qilish usullari
Yuborilgan vaqt: 2023 yil 14-noyabr
