Ekoizpenean eta bizitzan, silize gela N2, airea, hidrogenoa, gas naturala [1] eta abar lehortzeko erabil daiteke. Azidoaren eta alkalinoaren arabera, lehorgailua honela bana daiteke: lehorgarri azidoa, deshidratante alkalinoa eta lehorgailu neutroa [2]. Silice-gelak NH3, HCl, SO2, etab lehortzen dituela dirudien lehorgailu neutroa dela dirudi. Hala ere, printzipioaren ikuspuntutik, silize-gela azido ortosilizikoen molekulen deshidratazio intermolekularreko hiru dimentsioz osatuta dago, gorputz nagusia SiO2 da, eta gainazala hidroxilo taldeetan aberatsa da (ikus 1. irudia). Silice-gelak ura xurga dezakeen arrazoia da silize-gelaren gainazaleko silizio-hidroxilo taldeak ur molekulen arteko hidrogeno-loturak sor ditzakeela, beraz, ura xurga dezake eta, beraz, lehortze-eginkizuna izan dezake. Kolorea aldatzen duen silize gelak kobalto ioiak ditu, eta adsortzio urak saturatzera iritsi ondoren, kolorea aldatzen duen silize gelan kobalto ioiak kobalto ioi hidratatu bihurtzen dira, silize gel urdina arrosa bihurtzen da. Silice gel arrosa 200 ℃-tan berotu ondoren, silize gelaren eta ur molekulen arteko hidrogeno-lotura hautsi egiten da, eta koloreztaturiko silize gela urdin bihurtuko da berriro, azido silizikoaren eta silize gelaren egitura-diagrama izan dadin. 1. Irudian ikusten den moduan berrerabili. Beraz, silize-gelaren gainazala hidroxilo taldeetan aberatsa denez, silize-gelaren gainazalean hidrogeno-lotura molekularrak ere sor ditzake NH3 eta HCl-ekin, etab. NH3 eta HCl-ren lehorgailua, eta ez dago txosten garrantzitsurik dagoen literaturan. Orduan, zein izan ziren emaitzak? Irakasgai honek honako ikerketa esperimental hau egin du.
IRUDIA. 1 Azido ortosilizikoaren eta silize gelaren egitura-diagrama
2 Esperimentu-zatia
2.1 Silice gel lehorkariaren aplikazio-esparrua aztertzea - Amoniakoa Lehenik eta behin, koloreztaturiko silize gela ur destilatuan eta amoniako ur kontzentratuan jarri zen, hurrenez hurren. Silize gel koloregabea arrosa bihurtzen da ur destilatuan; Amoniako kontzentratuan, kolorea aldatzen duen silikona gorri bihurtzen da lehenik eta poliki-poliki urdin argi bihurtzen da. Honek erakusten du silize gelak NH3 edo NH3 ·H2 O amoniakoan xurga dezakeela. 2. Irudian ikusten den bezala, kaltzio hidroxido solidoa eta amonio kloruroa uniformeki nahasten dira eta saio-hodi batean berotzen dira. Sortzen den gasa kare alkalinoaren bidez kentzen da eta, ondoren, silize-gelaren bidez. Sarrerako noranzkotik gertu dagoen silize-gelaren kolorea argiago bihurtzen da (2. irudiko silize-gelaren lehorgailuaren aplikazio-esparruaren kolorea aztertzen da - amoniakoa 73, 2023ko 8. fasea, funtsean, bustitako silize-gelaren kolorearen berdina da. amoniako ur kontzentratuan), eta pH-aren azterketa-paperak ez du aldaketa nabaririk. Horrek adierazten du ekoitzitako NH3 ez dela pH probako paperera iritsi, eta guztiz xurgatu dela. Denbora tarte baten ondoren, gelditu berogailua, atera silize gelaren bola zati txiki bat, sartu ur destilatuan, gehitu fenolftaleina urari, disoluzioa gorri bihurtzen da, silize gelak adsortzio efektu handia duela adieraziz. NH3, ura destilatua kendu ondoren, NH3 ur destilatuan sartzen da, disoluzioa alkalinoa da. Hori dela eta, silize gelak NH3rako adsortzio handia duelako, silikonazko lehorgailuak ezin du NH3 lehortu.
IRUDIA. 2 Silice gel lehorgailuaren aplikazio-esparrua aztertzea — amoniakoa
2.2 Silice gel lehorkariaren aplikazio-esparrua aztertzea: hidrogeno kloruroak NaCl solidoak erretzen ditu alkohol-lanpararen suarekin, osagai solidoetako ur hezea kentzeko. Lagina hoztu ondoren, azido sulfuriko kontzentratua gehitzen zaio NaCl solidoei berehala burbuila kopuru handia sortzeko. Sortutako gasa silize gela duen lehortze-hodi esferiko batera pasatzen da, eta pH-a probatzeko paper hezea jartzen da lehortzeko hodiaren amaieran. Aurrealdeko silize-gelak berde argi bihurtzen du, eta pH-a probatzeko paper hezeak ez du aldaketa nabarmenik (ikus 3. irudia). Horrek erakusten du sortutako HCl gasa silize gelak guztiz xurgatzen duela eta ez dela airera ihes egiten.
3. Irudia Silice gel lehorkariaren aplikazio-esparruari buruzko ikerketa - hidrogeno kloruroa
Silice gelak HCl xurgatu eta berde argi bihurtu zen entsegu-hodi batean jarri zen. Jarri silize gel urdin berria entsegu-hodian, gehitu azido klorhidriko kontzentratua, silize gel kolore berde argia ere bihurtzen da, bi koloreak funtsean berdinak dira. Honek lehortzeko hodi esferikoan dagoen silize gel gasa erakusten du.
2.3 Silice gel lehorkariaren aplikazio-esparrua aztertzea — sufre dioxidoa Azido sulfuriko kontzentratua mistoa sodio tiosulfato solidoarekin (ikus 4. irudia), NA2s2 O3 +H2 SO4 ==Na2 SO4 +SO2 ↑+S↓+H2 O; Sortutako gasa koloreztaturiko silize gela duen lehortze-hoditik pasatzen da, koloreztaturiko silize-gela berde-urdin argi bihurtzen da eta proba-paper hezearen amaieran dagoen tornasol-papera ez da nabarmen aldatzen, sortutako SO2 gasa dela adieraziz. silize gelaren bolak erabat xurgatu du eta ezin da ihes egin.
IRUDIA. 4 Sufre dioxidoa silize-gelaren lehorgailuaren aplikazio-esparrua aztertzea
Kendu silize gelaren bola zati bat eta jarri ur destilatuan. Oreka osoa egin ondoren, hartu ur-tanta txiki bat tornasol-paper urdinean. Proba-papera ez da nabarmen aldatzen, silize geletik SO2 desorbatzeko ur destilatua nahikoa ez dela adierazten du. Hartu silize gelaren bolatxoaren zati txiki bat eta berotu saiakuntza-hodian. Jarri tornasol-paper urdin bustia saiakuntzaren ahoan. Tornasol-paper urdina gorri bihurtzen da, berotzeak silize gel bolatik SO2 gasa desorbatzen duela adierazten du, eta horrela, tornasol-papera gorri bihurtzen da. Goiko esperimentuek erakusten dute silize gelak adsortzio efektu handia duela SO2 edo H2 SO3-n, eta ezin dela erabili SO2 gasa lehortzeko.
2.4 Silice gel lehorkariaren aplikazio-esparrua aztertzea — Karbono dioxidoa
5. irudian ikusten den bezala, fenolftaleina tantaka sodio bikarbonato-disoluzioa gorri argia agertzen da. Sodio bikarbonato solidoa berotzen da eta sortzen den gas-nahasketa silize gel lehortutako esfera dituen hodi lehorgarri batetik pasatzen da. Silice-gela ez da nabarmen aldatzen eta fenolftaleinarekin tantaka dagoen sodio bikarbonatoak HCl xurgatzen du. Koloreztatu gabeko silize gelaren kobalto ioiak disoluzio berdea osatzen du Cl-rekin eta pixkanaka koloregabe bihurtzen da, lehortzeko hodi esferikoaren amaieran CO2 gas konplexu bat dagoela adieraziz. Silice-gel berde argia ur destilatuan jartzen da, eta koloreztaturiko silize-gela horia bihurtzen da pixkanaka, silize-gelak xurgatutako HCl uretan xurgatu dela adieraziz. Goiko disoluzio urtsuaren kantitate txiki bat gehitu zitzaion azido nitrikoz azidotutako zilar nitratoaren disoluzioari hauspeakada zuri bat sortzeko. Ur-disoluzio kantitate txiki bat pH probako paper sorta zabal batean erortzen da, eta proba-papera gorri bihurtzen da, disoluzioa azidoa dela adieraziz. Goiko esperimentuek erakusten dute silize gelak HCl gasarekiko adsortzio handia duela. HCl oso polarra den molekula bat da, eta silize gelaren gainazaleko hidroxilo taldeak ere polaritate handia du, eta bi molekularteko hidrogeno-loturak sor ditzakete edo dipolo-dipolo-interakzio nahiko indartsua izan dezakete, silizearen gainazaleko indar intermolekular nahiko indartsua sortuz. gel eta HCl molekulak, beraz, silize-gelak HCl-ren adsortzio handia du. Hori dela eta, silikonazko lehortzeko agentea ezin da erabili HCl ihesa lehortzeko, hau da, silize gelak ez du CO2 xurgatzen edo partzialki CO2 xurgatzen du.
IRUDIA. 5 Silice gel lehorkariaren aplikazio-esparrua aztertzea — karbono dioxidoa
Silice gelak karbono dioxido gasarekiko adsortzioa frogatzeko, honako esperimentu hauek jarraitzen dira. Lehortzeko hodi esferikoko silize gel bola kendu eta zatia fenolftaleina tantaka sodio bikarbonato-soluzioan banatu zen. Sodio bikarbonatoaren disoluzioa koloreztatu egin zen. Honek erakusten du silize gelak karbono dioxidoa xurgatzen duela, eta uretan disolbatu ondoren, karbono dioxidoa sodio bikarbonato disoluzioan desorbatzen da, sodio bikarbonato disoluzioa desagertzen dela. Silikonazko bolaren gainerako zatia saio-hodi lehor batean berotzen da, eta sortzen den gasa fenolftaleinarekin tantaka dagoen sodio bikarbonatoaren disoluzio batera pasatzen da. Laster, sodio bikarbonatoaren disoluzioa gorri argitik koloregabera aldatzen da. Honek ere erakusten du silize gelak oraindik CO2 gasaren adsortzio ahalmena duela. Hala ere, silize-gelak CO2n duen adsortzio-indarra HCl, NH3 eta SO2-arena baino askoz txikiagoa da, eta karbono dioxidoa partzialki xurga daiteke 5. irudiko esperimentuan zehar. Litekeena da silize gelak CO2 partzialki xurga dezakeen arrazoia izatea. silize-gelak eta CO2-ak hidrogeno-lotura molekularrak osatzen dituzte Si — OH… O =C. CO2-ren karbono-atomo zentrala sp hibridoa denez eta silize-geleko silizio-atomoa sp3 hibridoa denez, CO2 molekula linealak ez du ondo kolaboratzen silize-gelaren gainazalean, eta, ondorioz, karbono dioxidoaren silize-gelaren adsortzio indarra nahikoa da. txikia.
3.Uretan lau gasen disolbagarritasunaren eta silize-gelaren gainazaleko adsortzio-egoeraren arteko konparaketa Goiko emaitza esperimentaletatik, silize-gelak amoniakoa, hidrogeno kloruroa eta sufre dioxidoaren adsortzio-gaitasun handia duela ikus daiteke, baina karbono dioxidoaren adsortzio-indar txiki bat (ikus 1. taula). Hau lau gasen disolbagarritasunaren antzekoa da uretan. Hau izan daiteke ur molekulek hidroxi-OH dutela, eta silize gelaren gainazala ere hidroxilotan aberatsa dela, beraz, lau gas horien disolbagarritasuna silize gelaren gainazalean duen adsortzioaren oso antzekoa da. Amoniako gasaren, hidrogeno kloruroaren eta sufre dioxidoaren hiru gasen artean, sufre dioxidoak du disolbagarritasun txikiena uretan, baina silize gelak xurgatu ondoren, hiru gasen artean desortziorik zailena da. Silice gelak amoniakoa eta hidrogeno kloruroa xurgatu ondoren, ur disolbatzailearekin desorbitu daiteke. Sufre dioxidoaren gasa silize gelak xurgatu ondoren, zaila da urarekin xurgatzea, eta silize gelaren gainazaletik desortziora berotu behar da. Beraz, silize gelaren gainazalean lau gasen adsortzioa teorikoki kalkulatu behar da.
4 Silice gel eta lau gasen arteko elkarrekintzaren kalkulu teorikoa ORCA [4] kuantizazio softwarean aurkezten da dentsitate funtzionalaren teoria (DFT) esparruan. DFT D/B3LYP/Def2 TZVP metodoa erabili zen gas eta silize gel ezberdinen arteko elkarrekintza moduak eta energiak kalkulatzeko. Kalkulua sinplifikatzeko, silize gelaren solidoak azido ortosiliziko tetramerikoen molekulen bidez adierazten dira. Kalkuluen emaitzek erakusten dute H2 O, NH3 eta HCl guztiek hidrogeno loturak sor ditzaketela hidroxilo taldearekin silize gelaren gainazalean (ikus 6a ~ c irudia). Lotze-energia nahiko indartsua dute silize gelaren gainazalean (ikus 2. taula) eta erraz xurgatzen dira silize gelaren gainazalean. NH3 eta HCl-ren lotura-energia H2 O-ren antzekoa denez, ura garbitzeak bi gas molekula hauen desortzioa ekar dezake. SO2 molekularentzat, bere lotura-energia -17,47 kJ/mol baino ez da, hau da, goiko hiru molekulak baino askoz txikiagoa. Hala ere, esperimentuak baieztatu zuen SO2 gasa erraz xurgatzen dela silize gelan, eta garbitzeak ere ezin duela desorbatu, eta berotzeak soilik SO2 silize gelaren gainazaletik ihes egin dezake. Hori dela eta, litekeena da SO2 silize gelaren gainazalean H2 Orekin konbinatzea H2 SO3 frakzioak eratzeko. 6e irudiak erakusten du H2 SO3 molekulak hiru hidrogeno lotura eratzen dituela silize gelaren gainazaleko hidroxilo eta oxigeno atomoekin aldi berean, eta lotura-energia -76,63 kJ/mol bezain handia dela, eta horrek azaltzen du zergatik xurgatzen den SO2 gainean. silize-gela zaila da urarekin ihes egitea. CO2 ez polarrak lotzeko gaitasun ahulena du silize gelarekin, eta silize gelak partzialki xurga dezake. H2 CO3 eta silize gelaren lotura-energia ere -65,65 kJ/mol-era iritsi zen arren, CO2-ren H2 CO3 bihurtze-tasa ez zen handia, beraz, CO2-aren adsortzio-tasa ere murriztu zen. Goiko datuetatik ikus daiteke gas molekularen polaritatea ez dela silize gelaren bidez xurga daitekeen ala ez epaitzeko irizpide bakarra, eta silize gelaren gainazalarekin osatutako hidrogeno-lotura da bere adsortzio egonkorraren arrazoi nagusia.
Silice gelaren konposizioa SiO2 ·nH2 O da, silize gelaren azalera izugarriak eta azaleko hidroxilo talde aberatsak silize gel lehorgailu ez-toxiko gisa erabil daiteke errendimendu bikainarekin, eta oso erabilia da ekoizpenean eta bizitzan. . Artikulu honetan, esperimentuaren eta kalkulu teorikoaren bi alderdietatik baieztatzen da silize gelak NH3, HCl, SO2, CO2 eta beste gas batzuk xurga ditzakeela molekula arteko hidrogeno-loturen bidez, beraz, silize-gela ezin da gas horiek lehortzeko erabili. Silice gelaren konposizioa SiO2 ·nH2 O da, silize gelaren azalera izugarriak eta azaleko hidroxilo talde aberatsak silize gel lehorgailu ez-toxiko gisa erabil daiteke errendimendu bikainarekin, eta oso erabilia da ekoizpenean eta bizitzan. . Artikulu honetan, esperimentuaren eta kalkulu teorikoaren bi alderdietatik baieztatzen da silize gelak NH3, HCl, SO2, CO2 eta beste gas batzuk xurga ditzakeela molekula arteko hidrogeno-loturen bidez, beraz, silize-gela ezin da gas horiek lehortzeko erabili.
３
IRUDIA. 6 DFT metodoaren bidez kalkulatutako molekula ezberdinen eta silize gelaren gainazalaren arteko elkarrekintza moduak
Argitalpenaren ordua: 2023-11-14
