Дар истеҳсолот ва ҳаёт силикагельро барои хушк кардани N2, ҳаво, гидроген, гази табиӣ [1] ва ғайра истифода бурдан мумкин аст. Аз рӯи кислотаҳо ва ишқҳо хушккунакҳоро ба инҳо тақсим кардан мумкин аст: хушккунандаи кислота, хушккунандаи ишқдор ва хушккунандаи нейтрал [2]. Силикагель як хушккунаки бетараф ба назар мерасад, ки NH3, HCl, SO2 ва ғайраро хушк мекунад. Аммо, аз нуқтаи назари принсипи, силикагел аз dehydration се-ченака intermolecular молекулаҳои кислотаи orthosilicic иборат аст, ки мақоми асосии SiO2 аст, ва сатхи он аз гуруххои гидроксил бой аст (ниг. ба расми 1). Сабаби он ки силикагел метавонад обро ҷаббида кунад, дар он аст, ки гурӯҳи гидроксил кремний дар рӯи силикагел метавонад бо молекулаҳои об пайвандҳои байнимолекулярии гидроген ташкил кунад, аз ин рӯ он метавонад обро адсорб кунад ва ба ин васила нақши хушккуниро бозад. Силикагели ранги ивазкунанда дорои ионҳои кобальт мебошад ва пас аз он ки оби адсорбсия ба сершавӣ мерасад, ионҳои кобальт дар силикагели ранги тағирёбанда ба ионҳои кобальти гидратӣ мубаддал мешаванд, ки силикагели кабуд гулобӣ мешавад. Пас аз гарм кардани силикагели гулобиранги дар 200 ℃ дар тӯли муддате, пайванди гидрогенӣ байни силикагел ва молекулаҳои об канда мешавад ва силикагели рангоранг дубора кабуд мешавад, то диаграммаи сохтори кислотаи кремний ва силикагель метавонад чуноне ки дар расми 1 нишон дода шудааст, дубора истифода шавад. Ҳамин тавр, азбаски сатҳи силикагел аз гурӯҳҳои гидроксил бой аст, сатҳи силикагел низ метавонад бо NH3 ва HCl ва ғайра пайвандҳои гидрогении байнимолекулярӣ ба вуҷуд оварад ва ҳеҷ роҳе барои амал кардан вуҷуд надошта бошад. як хушккунандаи NH3 ва HCl аст ва дар адабиёти мавҷуда гузориши дахлдор вуҷуд надорад. Пас, натиҷаҳо чӣ гуна буданд? Ин мавзӯъ таҳқиқоти таҷрибавии зеринро анҷом додааст.
АНҶИР. 1 Диаграммаи сохтори кислотаи орто-силиций ва силикагель
2 Қисми таҷриба
2.1 Омӯзиши доираи татбиқи хушккунандаи силикагель — аммиак Аввалан, силикагели рангаш мутаносибан дар оби тозашуда ва оби аммиаки консентратӣ ҷойгир карда шуд. Силикагели рангаш дар оби софшуда гулобӣ мешавад; Дар аммиаки консентратсиони силикон ранги ивазкунанда аввал сурх мешавад ва оҳиста кабуди равшан мешавад. Ин нишон медиҳад, ки силикагель метавонад NH3 ё NH3 ·H2 O-ро дар аммиак бирӯяд. Чунон ки дар расми 2 нишон дода шудааст, гидроксиди сахти калсий ва хлориди аммоний дар пробирка баробар омехта ва гарм карда мешавад. Гази ҳосилшуда бо оҳаки ишқӣ ва сипас бо силикагел хориҷ карда мешавад. Ранги силикагель дар наздикии самти даромад сабуктар мешавад (ранги доираи татбиқи хушккунандаи силикагель дар расми 2 омӯхта шудааст - аммиак 73, марҳилаи 8-уми соли 2023 асосан бо ранги силикагели тар кардашуда якхела аст. дар оби аммиаки консентратонидашуда) ва коғази санҷиши рН тағироти возеҳ надорад. Ин нишон медиҳад, ки NH3 истеҳсолшуда ба коғази санҷишии рН нарасидааст ва он комилан адсорб шудааст. Пас аз чанд вақт гармиро қатъ кунед, як қисми ками тӯби силикагельро гирифта, ба оби софшуда гузоред, ба об фенолфталеин илова кунед, маҳлул сурх мешавад, ки ин нишон медиҳад, ки силикагель таъсири сахти адсорбсия дорад. NH3, пас аз он ки оби тозашуда ҷудо карда мешавад, NH3 ба оби тозашуда ворид мешавад, маҳлул сілтӣ аст. Аз ин рӯ, азбаски силикагел барои NH3 адсорбсияи қавӣ дорад, агенти хушккунандаи силикон NH3-ро хушк карда наметавонад.
АНҶИР. 2 Тадкики доираи истифодабарии хушккунандаи силикагель — аммиак
2.2 Омӯзиши доираи татбиқи хушккунандаи силикагель — хлориди гидроген аввал моддаҳои сахти NaCl-ро бо шӯълаи лампаи спиртӣ сӯзонда, оби тарро дар ҷузъҳои сахт тоза мекунад. Пас аз хунук шудани намуна, ба моддаҳои сахти NaCl кислотаи консентратсияи сулфат илова карда мешавад, то фавран миқдори зиёди ҳубобҳо ба вуҷуд ояд. Гази тавлидшуда ба найчаи курраи хушккунӣ, ки дорои силикагел мебошад, гузаронида мешавад ва дар охири найчаи хушккунӣ коғази намии санҷиши рН гузошта мешавад. Силикагели дар охири пеш сабзи равшан мешавад ва коғази санҷишии тар рН тағироти возеҳ надорад (ниг. Расми 3). Ин нишон медиҳад, ки гази HCl ҳосилшуда бо силикагель комилан адсорб мешавад ва ба ҳаво намеравад.
Расми 3 Тадкикот оид ба доираи истифодабарии хушккунандаи силикагель — хлориди гидроген
Силикагели HCl-ро адсорб кард ва ранги сабзи равшанро ба найчаи озмоишӣ гузошт. Силикагели нави кабудро ба пробирка гузоред, кислотаи консентратсияи гидрохлоридро илова кунед, силикагел низ ранги сабзи равшан мешавад, ду ранг асосан якхелаанд. Ин гази силикагелиро дар найчаи хушккунаки сферикӣ нишон медиҳад.
2.3 Омӯзиши доираи татбиқи хушккунандаи силикагель — оксиди сулфур Кислотаи омехтаи консентратсионии сулфат бо тиосульфати сахти натрий (ниг. расми 4), NA2s2 O3 +H2 SO4 ==Na2 SO4 +SO2 ↑+S↓+H2 O; Гази тавлидшуда аз найчаи хушккуние, ки дорои силикагели ранга шудааст, гузаронида мешавад, силикагели рангаш кабуд-сабзи равшан мешавад ва коғази кабуди лакмус дар охири коғази озмоишии тар ба таври назаррас тағйир намеёбад, ки ин нишон медиҳад, ки гази ҳосилшуда SO2 дорад. аз тӯби силикагел комилан адсорб шудааст ва гурехта наметавонад.
АНҶИР. 4 Омӯзиши доираи истифодабарии хушккунандаи силикагель — оксиди сулфур
Як қисми тӯби силикагелиро канда, ба оби тозашуда гузоред. Пас аз мувозинати пурра ба коғази лакмуси кабуд миқдори ками қатраи обро гиред. Варақаи санҷишӣ ба таври назаррас тағир намеёбад ва ин нишон медиҳад, ки оби софшуда барои десорбсияи SO2 аз силикагель кофӣ нест. Як кисми ками кураки силикагельро гирифта, дар пробирка гарм кунед. Ба даҳони пробирка коғази лакмуси кабуди тар гузоред. Когази лакмуси кабуд сурх мешавад ва ин нишон медиҳад, ки гармкунӣ гази SO2-ро аз тӯби силикагел десорб мекунад ва ҳамин тавр коғази лакмус сурх мешавад. Таҷрибаҳои дар боло зикршуда нишон медиҳанд, ки силикагель ба SO2 ё H2 SO3 низ таъсири сахти адсорбсионӣ дорад ва онро барои хушк кардани гази SO2 истифода бурдан мумкин нест.
2.4 Омӯзиши доираи татбиқи хушккунандаи силикагель - гази карбон
Тавре ки дар расми 5 нишон дода шудааст, маҳлули бикарбонати натрий, ки фенолфталеин мерезад, сурхи сабук ба назар мерасад. Қисмати сахти бикарбонати натрий гарм карда мешавад ва омехтаи гази ҳосилшуда аз найчаи хушккунӣ, ки дорои кураҳои хушкшудаи силикагель мебошад, гузаронида мешавад. Силикагель ба таври назаррас тағир намеёбад ва бикарбонати натрий бо фенолфталеин чакида, HCl-ро адсорб мекунад. Иони кобальт дар силикагели рангиншуда маҳлули сабзро бо Cl- ба вуҷуд меорад ва тадриҷан беранг мешавад, ки ин нишон медиҳад, ки дар охири найчаи курраи хушккунӣ комплекси гази CO2 мавҷуд аст. Силикагели сабук-сабз дар оби соф гузошта мешавад ва силикагели рангаш тадриҷан ба зард мубаддал мешавад, ки ин нишон медиҳад, ки HCl, ки бо силикагел адсорб шудааст, ба об десорбсия шудааст. Миқдори ками маҳлули обии болоӣ ба маҳлули нитрати нуқра, ки бо кислотаи нитрат кислота шудааст, илова карда шуд, то боришоти сафед ба вуҷуд ояд. Миқдори ками маҳлули обиро ба доираи васеи коғази санҷишии рН меандозанд ва коғази санҷишӣ сурх мешавад, ки маҳлул туршӣ аст. Таҷрибаҳои дар боло зикршуда нишон медиҳанд, ки силикагель ба гази HCl адсорбсияи қавӣ дорад. HCl як молекулаи хеле қутбӣ аст ва гурӯҳи гидроксил дар рӯи кремний низ қутбияти қавӣ дорад ва ҳарду метавонанд пайвандҳои байнимолекулярии гидрогенро ташкил кунанд ё мутақобилаи нисбатан қавии диполҳои диполӣ дошта бошанд, ки дар натиҷа қувваи нисбатан қавӣ байни молекулавӣ байни сатҳи кремний ба амал меояд. молекулаҳои gel ва HCl, аз ин рӯ силикагел адсорбсияи қавии HCl дорад. Аз ин рӯ, агенти хушккунандаи силиконро барои хушк кардани HCl истифода бурдан мумкин нест, яъне силикагел CO2-ро адсорб намекунад ё танҳо қисман СО2-ро адсорб мекунад.
АНҶИР. 5 Омӯзиши доираи татбиқи хушккунандаи силикагель — гази карбон
Барои исбот кардани адсорбцияи силикагель ба гази гази карбон тачрибахои зерин давом дода мешаванд. Туби силикагели дар найчаи хушккунаки сферикӣ хориҷ карда шуд ва қисми он ба маҳлули бикарбонати натрий, ки фенолфталеинро мечакад, тақсим карда шуд. Маҳлули бикарбонати натрий ранг карда шуд. Ин нишон медиҳад, ки силикагель гази карбонро адсорб мекунад ва пас аз дар об ҳалшаванда, гази карбон ба маҳлули бикарбонати натрий десорб мешавад ва маҳлули бикарбонати натрийро пажмурда мекунад. Кисми бокимондаи кураки силикониро дар пробиркаи хушк гарм карда, гази хосилшударо ба махлули бикарбонати натрий, ки бо фенолфталеин мечакад, мегузаронанд. Дере нагузашта, маҳлули бикарбонати натрий аз сурхи равшан ба бе ранг табдил меёбад. Ин инчунин нишон медиҳад, ки силикагель то ҳол қобилияти адсорбсияи гази CO2 дорад. Бо вуҷуди ин, қувваи адсорбсияи силикагель дар CO2 нисбат ба HCl, NH3 ва SO2 хеле хурдтар аст ва гази оксиди карбон ҳангоми таҷриба дар расми 5 танҳо қисман адсорбсия карда мешавад. ки силикагель ва СО2 пайвандҳои байнимолекулавии гидрогенро ташкил медиҳанд Si — OH… O =C. Азбаски атоми марказии карбон СО2 гибридии sp аст ва атоми кремний дар кремний гибридии sp3 аст, молекулаи хаттии CO2 бо сатҳи силикагель хуб ҳамкорӣ намекунад ва дар натиҷа қувваи адсорбсияи силикагель ба гази карбон нисбатан баланд мешавад. хурд.
3.Муқоиса байни ҳалшавандагии чаҳор газ дар об ва ҳолати адсорбсия дар сатҳи силикагель Аз натиҷаҳои таҷрибавии дар боло овардашуда дида мешавад, ки силикагел дорои қобилияти адсорбсияи қавӣ барои аммиак, хлориди гидроген ва оксиди сулфур аст, аммо қувваи хурди адсорбсияи гази карбон (ниг. Ҷадвали 1). Ин ба ҳалшавандагии чор газ дар об монанд аст. Ин метавонад аз он сабаб бошад, ки молекулаҳои об дорои гидрокси-ОН буда, сатҳи силикагел низ аз гидроксил бой аст, бинобар ин, маҳлулшавии ин чаҳор газ дар об ба адсорбсияи он дар сатҳи силикагель хеле монанд аст. Дар байни се гази аммиак, хлориди гидроген ва дуоксиди сулфур, дуоксиди сулфур дар об пасттарин ҳалшаванда аст, аммо пас аз адсорбсия бо силикагель, десорбсия дар байни се газ мушкилтарин аст. Пас аз он ки силикагель аммиак ва хлориди гидрогенро адсорб мекунад, онро бо оби ҳалкунанда десорб кардан мумкин аст. Пас аз он ки гази дуоксиди сулфур бо силикагел адсорб карда мешавад, десорбсия бо об душвор аст ва бояд то десорбсия аз сатҳи силикагель гарм карда шавад. Бинобар ин адсорбсияи чор газ дар сатхи силикагель бояд аз чихати назариявй хисоб карда шавад.
4 Ҳисоби назариявии таъсири мутақобилаи байни силикагель ва чор газ дар нармафзори квантизатсияи ORCA [4] дар доираи назарияи функсионалии зичӣ (DFT) оварда шудааст. Усули DFT D/B3LYP/Def2 TZVP барои ҳисоб кардани шеваҳои мутақобила ва энергияи байни газҳои гуногун ва силикагель истифода шудааст. Барои содда кардани ҳисоб, моддаҳои сахти силикагель бо молекулаҳои тетрамерии кислотаи ортосилитӣ муаррифӣ карда мешаванд. Натиҷаҳои ҳисоб нишон медиҳанд, ки H2 O, NH3 ва HCl ҳама метавонанд бо гурӯҳи гидроксил дар сатҳи силикагель пайванди гидроген ташкил кунанд (ниг. Расми 6а ~ в). Онҳо дар сатҳи силикагель энергияи нисбатан қавӣ доранд (ниг. Ҷадвали 2) ва ба осонӣ дар сатҳи силикагель адсорбсия мешаванд. Азбаски энергияи пайвастшавии NH3 ва HCl ба энергияи H2 O монанд аст, шустани об метавонад ба десорбсияи ин ду молекулаи газ оварда расонад. Барои молекулаи SO2 энергияи пайвасти он ҳамагӣ -17,47 кҶ/мол аст, ки аз се молекулаи боло хеле хурдтар аст. Аммо тачриба тасдик кард, ки гази SO2 ба силикагель ба осонй адсорб мешавад ва хатто шустан онро десорб карда наметавонад ва танхо гарм кардан метавонад SO2-ро аз сатхи силикагель берун кунад. Аз ин рӯ, мо тахмин кардем, ки SO2 эҳтимолан бо H2 O дар сатҳи силикагель муттаҳид шуда, фраксияҳои H2 SO3-ро ташкил медиҳад. Дар расми 6е нишон дода шудааст, ки молекулаи H2 SO3 дар як вақт бо атомҳои гидроксил ва оксиген дар сатҳи силикагель се пайванди гидроген ташкил мекунад ва энергияи пайвастшавӣ то -76,63 кҶ/мол аст, ки чаро SO2 дар рӯи он адсорбсия шудааст, шарҳ медиҳад. силикагельро бо об дур кардан душвор аст. CO2-и ғайриқутбӣ қобилияти заифтаринро бо силикагел дорад ва онро танҳо қисман тавассути силикагели адсорбсия кардан мумкин аст. Гарчанде ки энергияи пайвастшавии H2 CO3 ва силикагел низ ба -65,65 кҶ/мол расид, суръати табдили СО2 ба H2 CO3 баланд набуд, аз ин рӯ суръати адсорбсияи СО2 низ коҳиш ёфт. Аз маълумоти дар боло овардашуда дида мешавад, ки қутбнокии молекулаи газ ягона меъёри муайян кардани он нест, ки оё он бо силикагел адсорб карда мешавад ё не ва пайванди гидрогенӣ, ки бо сатҳи силикагель ба вуҷуд омадааст, сабаби асосии адсорбсияи устувори он мебошад.
Таркиби силикагел SiO2 ·nH2 O мебошад, майдони бузурги силикагел ва гурӯҳи бойи гидроксил дар рӯи он силикагелро ҳамчун хушккунандаи ғайриоддӣ бо иҷрои аъло истифода бурдан мумкин аст ва дар истеҳсолот ва ҳаёт васеъ истифода мешавад. . Дар ин мақола аз ду ҷанбаи таҷриба ва ҳисобҳои назариявӣ тасдиқ карда шудааст, ки силикагель метавонад NH3, HCl, SO2, CO2 ва дигар газҳоро тавассути пайвандҳои байнимолекулавии гидроген адсорб кунад, аз ин рӯ силикагелро барои хушк кардани ин газҳо истифода бурдан мумкин нест. Таркиби силикагел SiO2 ·nH2 O мебошад, майдони бузурги силикагел ва гурӯҳи бойи гидроксил дар рӯи он силикагелро ҳамчун хушккунандаи ғайриоддӣ бо иҷрои аъло истифода бурдан мумкин аст ва дар истеҳсолот ва ҳаёт васеъ истифода мешавад. . Дар ин мақола аз ду ҷанбаи таҷриба ва ҳисобҳои назариявӣ тасдиқ карда шудааст, ки силикагель метавонад NH3, HCl, SO2, CO2 ва дигар газҳоро тавассути пайвандҳои байнимолекулавии гидроген адсорб кунад, аз ин рӯ силикагелро барои хушк кардани ин газҳо истифода бурдан мумкин нест.
３
АНҶИР. 6 Усулҳои мутақобила байни молекулаҳои гуногун ва сатҳи силикагели бо усули DFT ҳисобшуда
Вақти фиристодан: Ноябр-14-2023
