Në prodhim dhe jetë, xhel silicë mund të përdoret për të tharë N2, ajrin, hidrogjenin, gazin natyror [1] e kështu me radhë. Sipas acidit dhe alkalit, desikanti mund të ndahet në: tharës acid, tharës alkalik dhe desikant neutral [2]. Xhel silicë duket të jetë një tharëse neutrale që duket se thanë NH3, HCl, SO2, etj. Megjithatë, nga pikëpamja parimore, xhel silicë përbëhet nga dehidratimi ndërmolekular tredimensional i molekulave të acidit ortosilicik, trupi kryesor është SiO2. dhe sipërfaqja është e pasur me grupe hidroksil (shih Figurën 1). Arsyeja pse xhel silicë mund të thithë ujin është se grupi hidroksil i silikonit në sipërfaqen e xhelit të silicës mund të krijojë lidhje ndërmolekulare hidrogjenore me molekulat e ujit, kështu që mund të absorbojë ujin dhe kështu të luajë një rol tharëse. Xheli i silicës që ndryshon ngjyrën përmban jone kobalti dhe pasi uji i përthithjes arrin ngopjen, jonet e kobaltit në xhel silicë që ndryshon ngjyrën bëhen jone të hidratuar të kobaltit, në mënyrë që xhel silicë blu të bëhet rozë. Pas ngrohjes së xhelit rozë të silicës në 200℃ për një periudhë kohe, lidhja e hidrogjenit midis molekulave të xhelit të silicës dhe ujit prishet dhe xheli i çngjyrosur i silicës do të kthehet përsëri në blu, kështu që diagrami i strukturës së acidit silicik dhe xhelit silicik mund të të ripërdoret siç tregohet në figurën 1. Pra, meqenëse sipërfaqja e xhelit të silicës është e pasur me grupe hidroksil, sipërfaqja e xhelit të silicës mund të formojë gjithashtu lidhje hidrogjenore ndërmolekulare me NH3 dhe HCl, etj., dhe mund të mos ketë asnjë mënyrë për të vepruar si një desikant i NH3 dhe HCl, dhe nuk ka asnjë raport përkatës në literaturën ekzistuese. Pra, cilat ishin rezultatet? Ky subjekt ka bërë kërkimin eksperimental të mëposhtëm.
FIG. 1 Diagrami i strukturës së acidit orto-silicik dhe xhelit të silicës
2 Pjesa e eksperimentit
2.1 Eksplorimi i fushës së aplikimit të tharësit të xhelit silicë - Amoniak Së pari, xhel silicë e çngjyruar u vendos në ujë të distiluar dhe ujë të koncentruar me amoniak përkatësisht. Xhel silicë e zbardhur kthehet në rozë në ujë të distiluar; Në amoniak të koncentruar, silikoni që ndryshon ngjyrën fillimisht bëhet i kuq dhe ngadalë kthehet në blu të hapur. Kjo tregon se xhel silicë mund të thithë NH3 ose NH3 · H2 O në amoniak. Siç tregohet në figurën 2, hidroksidi i ngurtë i kalciumit dhe kloruri i amonit përzihen në mënyrë të barabartë dhe nxehen në një epruvetë. Gazi që rezulton hiqet nga gëlqere alkali dhe më pas nga xhel silicë. Ngjyra e xhelit të silicës pranë drejtimit të hyrjes bëhet më e lehtë (eksplorohet ngjyra e fushës së aplikimit të tharësit të xhelit silicë në Figurën 2 - amoniaku 73, faza e 8-të e 2023 është në thelb e njëjtë me ngjyrën e xhelit silicë të njomur në ujë të koncentruar me amoniak), dhe letra e testimit të pH nuk ka ndryshim të dukshëm. Kjo tregon se NH3 i prodhuar nuk ka arritur letrën e testimit të pH dhe është absorbuar plotësisht. Pas një periudhe kohe, ndaloni ngrohjen, hiqni një pjesë të vogël të topit të xhelit silicë, vendoseni në ujin e distiluar, shtoni fenolftaleinë në ujë, tretësira merr ngjyrë të kuqe, gjë që tregon se xhel silicë ka një efekt të fortë absorbues në NH3, pasi uji i distiluar shkëputet, NH3 hyn në ujin e distiluar, tretësira është alkaline. Prandaj, për shkak se xhel silicë ka një përthithje të fortë për NH3, agjenti tharës i silikonit nuk mund të thajë NH3.
FIG. 2 Eksplorimi i fushës së aplikimit të tharësit të xhelit silicë - amoniak
2.2 Eksplorimi i fushës së aplikimit të tharësit të xhelit silicë - kloruri i hidrogjenit fillimisht djeg lëndët e ngurta NaCl me flakën e llambës alkoolike për të hequr ujin e lagësht në përbërësit e ngurtë. Pasi kampioni të ftohet, acidi sulfurik i koncentruar i shtohet lëndëve të ngurta NaCl për të prodhuar menjëherë një numër të madh flluskash. Gazi i krijuar kalohet në një tub tharjeje sferike që përmban xhel silicë dhe një letër e lagësht provë pH vendoset në fund të tubit të tharjes. Xheli i silicës në pjesën e përparme kthehet në jeshile të lehtë dhe letra e lagur për testimin e pH-së nuk ka asnjë ndryshim të dukshëm (shih Figurën 3). Kjo tregon se gazi HCl i krijuar absorbohet plotësisht nga xhel silicë dhe nuk del në ajër.
Figura 3 Hulumtimi mbi shtrirjen e aplikimit të tharësit të xhelit silicë - klorur hidrogjeni
Xhel silicë e përthithur HCl dhe u kthye në jeshile e lehtë u vendos në një epruvetë. Futeni xhelin e ri silicë blu në provëz, shtoni acid klorhidrik të koncentruar, xhel silicë gjithashtu bëhet ngjyrë jeshile e lehtë, të dy ngjyrat janë në thelb të njëjta. Kjo tregon gazin e xhelit silicë në tubin sferik të tharjes.
2.3 Eksplorimi i fushës së aplikimit të tharësit të xhelit silicë - dioksid squfuri Acidi sulfurik i përzier i koncentruar me tiosulfat natriumi të ngurtë (shih Figurën 4), NA2s2 O3 +H2 SO4 ==Na2 SO4 +SO2 ↑+S↓+H2 O; Gazi i gjeneruar kalohet përmes tubit të tharjes që përmban xhelin silicë të çngjyrosur, xhel silicë i çngjyruar bëhet blu-jeshile e lehtë dhe letra blu e lakmusit në fund të letrës së lagësht të provës nuk ndryshon ndjeshëm, gjë që tregon se gazi SO2 i krijuar ka është absorbuar plotësisht nga topi i xhelit silicë dhe nuk mund të shpëtojë.
FIG. 4 Eksplorimi i fushës së aplikimit të tharësit të xhelit silicë - dioksidi i squfurit
Hiqni një pjesë të topit të xhelit silicë dhe vendoseni në ujë të distiluar. Pas ekuilibrit të plotë, merrni një sasi të vogël pikë uji në letrën blu të lakmusit. Letra e provës nuk ndryshon ndjeshëm, duke treguar se uji i distiluar nuk është i mjaftueshëm për të desorbuar SO2 nga xhel silicë. Merrni një pjesë të vogël të topit të xhelit silicë dhe ngroheni në provëz. Vendosni letër të lagur lakmusi blu në grykën e epruvetës. Letra blu e lakmusit bëhet e kuqe, gjë që tregon se ngrohja bën që gazi SO2 të desorbohet nga topi i xhelit të silicës, duke e bërë kështu letrën e lakmusit të kthehet në të kuqe. Eksperimentet e mësipërme tregojnë se xhel silicë gjithashtu ka një efekt të fortë adsorbimi në SO2 ose H2SO3 dhe nuk mund të përdoret për tharjen e gazit SO2.
2.4 Eksplorimi i fushës së aplikimit të tharësit të xhelit silicë - Dioksidi i karbonit
Siç tregohet në figurën 5, solucioni i bikarbonatit të natriumit që pikon fenolftaleinë duket e kuqe e lehtë. Lënda e ngurtë e bikarbonatit të natriumit nxehet dhe përzierja e gazit që rezulton kalohet përmes një tubi tharjeje që përmban sfera të thara xheli silicë. Xheli i silicës nuk ndryshon ndjeshëm dhe bikarbonati i natriumit që pikon me fenolftaleinë përthith HCl. Joni i kobaltit në xhelin silicë të zbardhur formon një tretësirë të gjelbër me Cl- dhe gradualisht bëhet i pangjyrë, gjë që tregon se ka një kompleks gazi CO2 në fund të tubit sferik të tharjes. Xheli silicë me ngjyrë jeshile të çelur vendoset në ujë të distiluar dhe xhel silicë e zbardhur gradualisht ndryshon në të verdhë, gjë që tregon se HCl e përthithur nga xhel silicë është desorbuar në ujë. Një sasi e vogël e tretësirës ujore të sipërme iu shtua tretësirës së nitratit të argjendit të acidifikuar nga acidi nitrik për të formuar një precipitat të bardhë. Një sasi e vogël e tretësirës ujore hidhet në një gamë të gjerë letre provë pH dhe letra e provës bëhet e kuqe, duke treguar që tretësira është acid. Eksperimentet e mësipërme tregojnë se xhel silicë ka një absorbim të fortë ndaj gazit HCl. HCl është një molekulë fort polare dhe grupi hidroksil në sipërfaqen e xhelit silicë gjithashtu ka polaritet të fortë dhe të dy mund të formojnë lidhje hidrogjeni ndërmolekulare ose të kenë ndërveprim relativisht të fortë dipolesh dipole, duke rezultuar në një forcë ndërmolekulare relativisht të fortë midis sipërfaqes së silicës. xhel dhe molekulat HCl, kështu që xhel silicë ka një adsorbim të fortë të HCl. Prandaj, agjenti i tharjes së silikonit nuk mund të përdoret për të tharë daljen e HCl, domethënë, xhel silicë nuk thith CO2 ose vetëm pjesërisht thith CO2.
FIG. 5 Eksplorimi i fushës së aplikimit të tharësit të xhelit silicë - dioksidi i karbonit
Për të vërtetuar adsorbimin e xhelit të silicës në gazin e dioksidit të karbonit, vazhdohen eksperimentet e mëposhtme. Topi i xhelit të silicës në tubin e tharjes sferike u hoq dhe pjesa u nda në tretësirë bikarbonat natriumi që pikonte fenolftaleinë. Zgjidhja e bikarbonatit të natriumit u zbardh. Kjo tregon se xhel silicë thith dioksidin e karbonit dhe pasi tretet në ujë, dioksidi i karbonit desorbohet në tretësirë bikarbonat natriumi, duke bërë që tretësira e bikarbonatit të natriumit të zbehet. Pjesa e mbetur e topit të silikonit nxehet në një provëz të thatë dhe gazi që rezulton kalohet në një tretësirë të bikarbonatit të natriumit që pikon me fenolftaleinë. Së shpejti, tretësira e bikarbonatit të natriumit ndryshon nga e kuqe e lehtë në pa ngjyrë. Kjo tregon gjithashtu se xhel silicë ka ende kapacitet absorbues për gazin CO2. Megjithatë, forca e adsorbimit të xhelit silicë në CO2 është shumë më e vogël se ajo e HCl, NH3 dhe SO2, dhe dioksidi i karbonit mund të absorbohet vetëm pjesërisht gjatë eksperimentit në figurën 5. Arsyeja pse xhel silicë mund të absorbojë pjesërisht CO2 ka të ngjarë të jetë se xhel silicë dhe CO2 formojnë lidhje hidrogjenore ndërmolekulare Si — OH… O =C. Për shkak se atomi qendror i karbonit të CO2 është sp hibrid, dhe atomi i silikonit në xhel silicë është hibrid sp3, molekula lineare e CO2 nuk bashkëpunon mirë me sipërfaqen e xhelit të silicës, duke rezultuar në fuqinë e adsorbimit të xhelit silicë në dioksid karboni është relativisht i vogël.
3. Krahasimi midis tretshmërisë së katër gazeve në ujë dhe statusit të adsorbimit në sipërfaqen e xhelit silicë Nga rezultatet eksperimentale të mësipërme, mund të shihet se xhel silicë ka një kapacitet të fortë absorbues të amoniakut, klorurit të hidrogjenit dhe dioksidit të squfurit, por një forcë e vogël përthithëse për dioksidin e karbonit (shih tabelën 1). Kjo është e ngjashme me tretshmërinë e katër gazeve në ujë. Kjo mund të jetë për shkak se molekulat e ujit përmbajnë hidroksi-OH, dhe sipërfaqja e xhelit të silicës është gjithashtu e pasur me hidroksil, kështu që tretshmëria e këtyre katër gazeve në ujë është shumë e ngjashme me absorbimin e tij në sipërfaqen e xhelit silicë. Ndër tre gazrat e gazit të amoniakut, klorurit të hidrogjenit dhe dioksidit të squfurit, dioksidi i squfurit ka tretshmërinë më të vogël në ujë, por pasi absorbohet nga xhel silicë, është më i vështiri për t'u desorbuar nga tre gazrat. Pasi xhel silicë thith amoniakun dhe klorurin e hidrogjenit, ai mund të desorbohet me ujë tretës. Pasi gazi i dioksidit të squfurit absorbohet nga xhel silicë, është i vështirë për t'u desorbuar me ujë dhe duhet të nxehet deri në desorbim nga sipërfaqja e xhelit silicë. Prandaj, adsorbimi i katër gazeve në sipërfaqen e xhelit silicë duhet të llogaritet teorikisht.
4 Llogaritja teorike e ndërveprimit ndërmjet xhelit të silicës dhe katër gazeve është paraqitur në softuerin ORCA të kuantizimit [4] nën kuadrin e teorisë funksionale të densitetit (DFT). Metoda DFT D/B3LYP/Def2 TZVP u përdor për të llogaritur mënyrat e ndërveprimit dhe energjitë midis gazeve të ndryshme dhe xhelit silicë. Për të thjeshtuar llogaritjen, trupat e ngurtë të xhel silicë përfaqësohen nga molekula tetramerike të acidit ortosilicik. Rezultatet e llogaritjes tregojnë se H2O, NH3 dhe HCl mund të formojnë të gjitha lidhje hidrogjeni me grupin hidroksil në sipërfaqen e xhelit të silicës (shih Figurën 6a ~ c). Ata kanë një energji lidhëse relativisht të fortë në sipërfaqen e xhelit të silicës (shih tabelën 2) dhe absorbohen lehtësisht në sipërfaqen e xhelit të silicës. Meqenëse energjia lidhëse e NH3 dhe HCl është e ngjashme me atë të H2O, larja e ujit mund të çojë në desorbimin e këtyre dy molekulave të gazit. Për molekulën SO2, energjia e saj lidhëse është vetëm -17,47 kJ/mol, që është shumë më e vogël se tre molekulat e mësipërme. Sidoqoftë, eksperimenti konfirmoi se gazi SO2 absorbohet lehtësisht në xhel silicë, madje edhe larja nuk mund ta desorbojë atë, dhe vetëm ngrohja mund të bëjë që SO2 të shpëtojë nga sipërfaqja e xhelit silicë. Prandaj, menduam se SO2 ka të ngjarë të kombinohet me H2O në sipërfaqen e xhelit të silicës për të formuar fraksione H2SO3. Figura 6e tregon se molekula H2 SO3 formon tre lidhje hidrogjeni me atomet hidroksili dhe oksigjeni në sipërfaqen e xhelit silicë në të njëjtën kohë, dhe energjia e lidhjes është deri në -76,63 kJ/mol, gjë që shpjegon pse SO2 absorbohet në xhel silicë është e vështirë të shmanget me ujë. CO2 jopolar ka aftësinë më të dobët të lidhjes me xhelin silicë dhe mund të absorbohet vetëm pjesërisht nga xhel silicë. Edhe pse energjia e lidhjes së H2CO3 dhe xhelit të silicës arriti gjithashtu -65,65 kJ/mol, shkalla e konvertimit të CO2 në H2CO3 nuk ishte e lartë, kështu që shkalla e përthithjes së CO2 gjithashtu u reduktua. Nga të dhënat e mësipërme shihet se polariteti i molekulës së gazit nuk është kriteri i vetëm për të gjykuar nëse ajo mund të absorbohet nga xheli silicë dhe lidhja hidrogjenore e krijuar me sipërfaqen e xhelit të silicës është arsyeja kryesore e përthithjes së qëndrueshme të saj.
Përbërja e xhelit silicë është SiO2 ·nH2 O, sipërfaqja e madhe e xhelit silicë dhe grupi i pasur hidroksil në sipërfaqe bëjnë që xhel silicë mund të përdoret si tharëse jo toksike me performancë të shkëlqyer dhe përdoret gjerësisht në prodhim dhe jetë . Në këtë punim, konfirmohet nga dy aspekte të eksperimentit dhe llogaritjes teorike se xhel silic mund të absorbojë NH3, HCl, SO2, CO2 dhe gazra të tjerë përmes lidhjeve ndërmolekulare të hidrogjenit, kështu që xhel silicë nuk mund të përdoret për tharjen e këtyre gazeve. Përbërja e xhelit silicë është SiO2 ·nH2 O, sipërfaqja e madhe e xhelit silicë dhe grupi i pasur hidroksil në sipërfaqe bëjnë që xhel silicë mund të përdoret si tharëse jo toksike me performancë të shkëlqyer dhe përdoret gjerësisht në prodhim dhe jetë . Në këtë punim, konfirmohet nga dy aspekte të eksperimentit dhe llogaritjes teorike se xhel silic mund të absorbojë NH3, HCl, SO2, CO2 dhe gazra të tjerë përmes lidhjeve ndërmolekulare të hidrogjenit, kështu që xhel silicë nuk mund të përdoret për tharjen e këtyre gazeve.
３
FIG. 6 Mënyrat e ndërveprimit ndërmjet molekulave të ndryshme dhe sipërfaqes së xhelit të silicës të llogaritura me metodën DFT
Koha e postimit: Nëntor-14-2023
