تحقیق در مورد دامنه کاربرد خشک کننده سیلیکاژل

در تولید و زندگی، از سیلیکاژل می توان برای خشک کردن N2، هوا، هیدروژن، گاز طبیعی [1] و غیره استفاده کرد. بر اساس اسید و قلیایی، خشک کننده را می توان به: خشک کننده اسیدی، خشک کننده قلیایی و خشک کننده خنثی تقسیم کرد [2]. به نظر می رسد سیلیکاژل یک خشک کن خنثی است که به نظر می رسد NH3، HCl، SO2 و غیره را خشک می کند. و سطح غنی از گروه های هیدروکسیل است (شکل 1 را ببینید). دلیل اینکه سیلیکاژل می تواند آب را جذب کند این است که گروه هیدروکسیل سیلیکون روی سطح سیلیکاژل می تواند پیوندهای هیدروژنی بین مولکولی را با مولکول های آب تشکیل دهد، بنابراین می تواند آب را جذب کند و در نتیجه نقش خشک کردن را ایفا کند. سیلیکاژل تغییر رنگ حاوی یون های کبالت است و پس از اینکه آب جذب به حد اشباع رسید، یون های کبالت موجود در سیلیکاژل تغییر رنگ تبدیل به یون کبالت هیدراته می شوند، به طوری که سیلیکاژل آبی رنگ صورتی می شود. پس از حرارت دادن سیلیکاژل صورتی در دمای 200 درجه سانتیگراد برای مدتی، پیوند هیدروژنی بین سیلیکاژل و مولکول های آب شکسته می شود و سیلیکاژل تغییر رنگ یافته دوباره آبی می شود، به طوری که نمودار ساختار اسید سیلیسیک و سیلیکاژل می تواند همانطور که در شکل 1 نشان داده شده است استفاده مجدد شود. بنابراین، از آنجایی که سطح سیلیکاژل غنی از گروه های هیدروکسیل است، سطح سیلیکا ژل نیز ممکن است پیوندهای هیدروژنی بین مولکولی با NH3 و HCl و غیره تشکیل دهد، و ممکن است راهی برای عمل به عنوان وجود نداشته باشد. یک ماده خشک کننده NH3 و HCl است و هیچ گزارش مرتبطی در ادبیات موجود وجود ندارد. پس نتایج چه بود؟ این آزمودنی تحقیقات تجربی زیر را انجام داده است.

شکل 1 نمودار ساختار اسید ارتو سیلیسیک و سیلیکاژل

2 بخش آزمایش
2.1 کاوش در زمینه کاربرد خشک کننده سیلیکاژل - آمونیاک ابتدا سیلیکاژل تغییر رنگ داده شده به ترتیب در آب مقطر و آب آمونیاک غلیظ قرار داده شد. سیلیکاژل تغییر رنگ در آب مقطر صورتی می شود. در آمونیاک غلیظ، سیلیکون تغییر رنگ ابتدا قرمز می شود و به آرامی به آبی روشن تبدیل می شود. این نشان می دهد که سیلیکاژل می تواند NH3 یا NH3 ·H2 O را در آمونیاک جذب کند. همانطور که در شکل 2 نشان داده شده است، هیدروکسید کلسیم جامد و کلرید آمونیوم به طور یکنواخت مخلوط شده و در یک لوله آزمایش حرارت داده می شوند. گاز حاصل توسط آهک قلیایی و سپس با سیلیکا ژل حذف می شود. رنگ سیلیکاژل در نزدیکی جهت ورودی روشن تر می شود (رنگ دامنه کاربرد خشک کن سیلیکاژل در شکل 2 بررسی شده است - آمونیاک 73، فاز هشتم 2023 اساساً همان رنگ سیلیکاژل خیس شده است. در آب آمونیاک غلیظ)، و کاغذ آزمایش pH هیچ تغییر آشکاری ندارد. این نشان می دهد که NH3 تولید شده به کاغذ آزمایش pH نرسیده است و کاملاً جذب شده است. پس از مدتی حرارت را متوقف کنید، قسمت کوچکی از گلوله سیلیکاژل را خارج کنید، آن را در آب مقطر قرار دهید، فنل فتالئین را به آب اضافه کنید، محلول قرمز می شود، که نشان می دهد سیلیکاژل دارای اثر جذب قوی است. NH3، پس از جدا شدن آب مقطر، NH3 وارد آب مقطر می شود، محلول قلیایی است. بنابراین، از آنجا که سیلیکاژل دارای جذب قوی برای NH3 است، عامل خشک کننده سیلیکون نمی تواند NH3 را خشک کند.

شکل 2 کاوش در زمینه کاربرد خشک کننده سیلیکاژل - آمونیاک

2.2 کاوش در زمینه کاربرد خشک کننده سیلیکاژل - کلرید هیدروژن ابتدا جامدات NaCl را با شعله لامپ الکل می سوزاند تا آب مرطوب در اجزای جامد حذف شود. پس از سرد شدن نمونه، اسید سولفوریک غلیظ به جامدات NaCl اضافه می شود تا بلافاصله تعداد زیادی حباب تولید شود. گاز تولید شده به داخل یک لوله خشک کن کروی حاوی سیلیکاژل عبور داده می شود و یک کاغذ تست pH مرطوب در انتهای لوله خشک کن قرار می گیرد. سیلیکاژل در قسمت جلویی به رنگ سبز روشن در می‌آید و کاغذ تست pH مرطوب هیچ تغییر آشکاری ندارد (شکل 3 را ببینید). این نشان می دهد که گاز HCl تولید شده به طور کامل توسط سیلیکاژل جذب شده و به هوا نمی رود.

شکل 3 تحقیق در مورد دامنه کاربرد خشک کننده سیلیکاژل - کلرید هیدروژن

سیلیکاژل جذب هیدروکلراید و سبز روشن در یک لوله آزمایش قرار داده شد. سیلیکاژل آبی جدید را در لوله آزمایش قرار دهید، اسید هیدروکلریک غلیظ را اضافه کنید، سیلیکاژل نیز به رنگ سبز روشن در می آید، دو رنگ اساساً یکسان هستند. این گاز سیلیکا ژل را در لوله خشک کن کروی نشان می دهد.

2.3 کاوش در زمینه کاربرد خشک کننده سیلیکاژل - دی اکسید گوگرد مخلوط اسید سولفوریک غلیظ با جامد تیوسولفات سدیم (نگاه کنید به شکل 4)، NA2s2 O3 + H2 SO4 ==Na2 SO4 + SO2 ↑+S↓+H2 O; گاز تولید شده از داخل لوله خشک کن حاوی سیلیکاژل تغییر رنگ داده شده عبور داده می شود، سیلیکاژل تغییر رنگ به رنگ آبی مایل به سبز روشن در می آید و کاغذ تورنسل آبی در انتهای کاغذ تست مرطوب تغییر قابل توجهی نمی کند و این نشان می دهد که گاز SO2 تولید شده دارای به طور کامل توسط توپ سیلیکا ژل جذب شده و نمی تواند فرار کند.

شکل 4 کاوش در زمینه کاربرد خشک کننده سیلیکاژل - دی اکسید گوگرد

قسمتی از توپ سیلیکاژل را بردارید و در آب مقطر قرار دهید. پس از تعادل کامل، مقدار کمی قطره آب روی کاغذ تورنسل آبی بریزید. کاغذ آزمایش تغییر قابل توجهی نمی کند، که نشان می دهد آب مقطر برای دفع SO2 از سیلیکاژل کافی نیست. قسمت کوچکی از توپ سیلیکاژل را بردارید و آن را در لوله آزمایش گرم کنید. کاغذ تورنسل آبی مرطوب را در دهانه لوله آزمایش قرار دهید. کاغذ تورنسل آبی قرمز می شود، که نشان می دهد گرما باعث می شود گاز SO2 از گلوله سیلیکاژل دفع شود و بنابراین کاغذ تورنسل قرمز می شود. آزمایشات فوق نشان می دهد که سیلیکاژل همچنین دارای اثر جذب قوی بر روی SO2 یا H2 SO3 است و نمی توان از آن برای خشک کردن گاز SO2 استفاده کرد.
2.4 کاوش در زمینه کاربرد خشک کننده سیلیکاژل - دی اکسید کربن
همانطور که در شکل 5 نشان داده شده است، محلول بی کربنات سدیم که فنل فتالئین چکه می کند قرمز روشن به نظر می رسد. جامد بی کربنات سدیم حرارت داده می شود و مخلوط گاز حاصل از یک لوله خشک کن حاوی کره های سیلیکاژل خشک شده عبور داده می شود. سیلیکاژل تغییر قابل توجهی نمی کند و بی کربنات سدیم که با فنل فتالئین چکه می کند HCl را جذب می کند. یون کبالت موجود در سیلیکاژل تغییر رنگ، محلولی سبز رنگ با کلر تشکیل می دهد و به تدریج بی رنگ می شود که نشان می دهد در انتهای لوله خشک کن کروی، یک کمپلکس گاز CO2 وجود دارد. سیلیکاژل سبز روشن در آب مقطر قرار می گیرد و سیلیکاژل تغییر رنگ به تدریج به رنگ زرد تغییر می کند که نشان می دهد HCl جذب شده توسط سیلیکاژل به آب جذب شده است. مقدار کمی از محلول آبی بالایی به محلول نیترات نقره اسیدی شده توسط اسید نیتریک اضافه شد تا یک رسوب سفید تشکیل شود. مقدار کمی از محلول آبی روی کاغذ آزمایش pH وسیعی ریخته می شود و کاغذ آزمایش قرمز می شود که نشان دهنده اسیدی بودن محلول است. آزمایش های فوق نشان می دهد که سیلیکاژل جذب قوی به گاز HCl دارد. هیدروکلراید یک مولکول به شدت قطبی است و گروه هیدروکسیل روی سطح سیلیکاژل نیز دارای قطبیت قوی است و این دو ممکن است پیوندهای هیدروژنی بین مولکولی تشکیل دهند یا برهمکنش دوقطبی دوقطبی نسبتاً قوی داشته باشند و در نتیجه نیروی بین مولکولی نسبتاً قوی بین سطح سیلیس ایجاد شود. ژل و مولکول های HCl، بنابراین سیلیکاژل دارای جذب قوی HCl است. بنابراین، عامل خشک کننده سیلیکون را نمی توان برای خشک کردن خروج HCl استفاده کرد، یعنی سیلیکاژل CO2 را جذب نمی کند یا فقط تا حدی CO2 را جذب می کند.

شکل 5 کاوش در زمینه کاربرد خشک کننده سیلیکاژل - دی اکسید کربن

به منظور اثبات جذب سیلیکاژل به گاز دی اکسید کربن، آزمایشات زیر ادامه می یابد. توپ سیلیکاژل در لوله خشک کن کروی برداشته شد و قسمت به محلول بی کربنات سدیم که فنل فتالئین چکه می کرد تقسیم شد. محلول بی کربنات سدیم رنگ زدایی شد. این نشان می دهد که سیلیکاژل دی اکسید کربن را جذب می کند و پس از محلول شدن در آب، دی اکسید کربن به محلول بی کربنات سدیم جذب می شود و باعث محو شدن محلول بی کربنات سدیم می شود. قسمت باقیمانده از گلوله سیلیکونی در یک لوله آزمایش خشک گرم می شود و گاز حاصل به محلول بی کربنات سدیم که فنل فتالئین می چکد می ریزد. به زودی محلول بی کربنات سدیم از قرمز روشن به بی رنگ تغییر می کند. این همچنین نشان می دهد که سیلیکاژل هنوز ظرفیت جذب گاز CO2 را دارد. با این حال، نیروی جذب سیلیکاژل بر روی CO2 بسیار کمتر از HCl، NH3 و SO2 است و دی اکسید کربن تنها می تواند تا حدی در طول آزمایش در شکل 5 جذب شود. دلیل اینکه سیلیکاژل می تواند تا حدی CO2 را جذب کند احتمالاً که سیلیکاژل و CO2 پیوندهای هیدروژنی بین مولکولی Si — OH… O =C تشکیل می دهند. از آنجایی که اتم کربن مرکزی CO2 هیبرید sp است و اتم سیلیکون موجود در سیلیکاژل هیبرید sp3 است، مولکول خطی CO2 به خوبی با سطح سیلیکاژل همکاری نمی کند و در نتیجه نیروی جذب سیلیکاژل روی دی اکسید کربن نسبتاً افزایش می یابد. کوچک

3. مقایسه بین حلالیت چهار گاز در آب و وضعیت جذب سطحی سیلیکاژل از نتایج تجربی بالا می توان دریافت که سیلیکاژل دارای ظرفیت جذب قوی برای آمونیاک، کلرید هیدروژن و دی اکسید گوگرد است، اما یک نیروی جذب کوچک برای دی اکسید کربن (جدول 1 را ببینید). این مشابه حلالیت چهار گاز در آب است. این ممکن است به این دلیل باشد که مولکول های آب حاوی هیدروکسی-OH هستند و سطح سیلیکاژل نیز غنی از هیدروکسیل است، بنابراین حلالیت این چهار گاز در آب بسیار شبیه به جذب آن در سطح سیلیکاژل است. در بین سه گاز گاز آمونیاک، کلرید هیدروژن و دی اکسید گوگرد، دی اکسید گوگرد کمترین انحلال پذیری در آب را دارد، اما پس از جذب سیلیکا ژل، در بین سه گاز، سخت ترین واجذب آن را دارد. پس از اینکه سیلیکاژل آمونیاک و کلرید هیدروژن را جذب کرد، می توان آن را با آب حلال جذب کرد. پس از جذب گاز دی اکسید گوگرد توسط سیلیکاژل، دفع آن با آب دشوار است و باید حرارت داده شود تا از سطح سیلیکا ژل دفع شود. بنابراین، جذب چهار گاز در سطح سیلیکاژل باید به صورت نظری محاسبه شود.

4 محاسبه نظری برهمکنش بین سیلیکاژل و چهار گاز در نرم افزار کوانتومی سازی ORCA [4] تحت چارچوب تئوری تابعی چگالی (DFT) ارائه شده است. روش DFT D/B3LYP/Def2 TZVP برای محاسبه حالت‌های تعامل و انرژی بین گازهای مختلف و سیلیکاژل استفاده شد. به منظور ساده کردن محاسبات، جامدات سیلیکاژل با مولکولهای اسید ارتوسیلیک تترامر نشان داده می شوند. نتایج محاسبات نشان می‌دهد که H2O، NH3 و HCl همگی می‌توانند پیوندهای هیدروژنی را با گروه هیدروکسیل روی سطح سیلیکاژل تشکیل دهند (شکل 6a ~ c را ببینید). آنها انرژی اتصال نسبتاً قوی روی سطح سیلیکاژل دارند (جدول 2 را ببینید) و به راحتی روی سطح سیلیکاژل جذب می شوند. از آنجایی که انرژی اتصال NH3 و HCl مشابه انرژی H2O است، شستشوی آب می تواند منجر به دفع این دو مولکول گاز شود. برای مولکول SO2، انرژی اتصال آن فقط 17.47- کیلوژول بر مول است که بسیار کوچکتر از سه مولکول فوق است. با این حال، آزمایش تأیید کرد که گاز SO2 به راحتی روی سیلیکاژل جذب می شود و حتی شستشو نیز نمی تواند آن را جذب کند و تنها حرارت دادن می تواند باعث خروج SO2 از سطح سیلیکاژل شود. بنابراین، ما حدس زدیم که SO2 احتمالاً با H2O روی سطح ژل سیلیکا ترکیب می‌شود و بخش‌های H2SO3 را تشکیل می‌دهد. شکل 6e نشان می دهد که مولکول H2 SO3 به طور همزمان سه پیوند هیدروژنی با اتم های هیدروکسیل و اکسیژن روی سطح سیلیکاژل تشکیل می دهد و انرژی اتصال به 76.63- کیلوژول بر مول می رسد، که توضیح می دهد که چرا SO2 در سطح سیلیکاژل جذب می شود. سیلیکاژل به سختی با آب فرار می کند. CO2 غیر قطبی ضعیف ترین قابلیت اتصال را با سیلیکاژل دارد و فقط می تواند تا حدی توسط سیلیکاژل جذب شود. اگرچه انرژی اتصال H2 CO3 و سیلیکاژل نیز به 65.65- کیلوژول بر مول رسید، اما نرخ تبدیل CO2 به H2 CO3 زیاد نبود، بنابراین میزان جذب CO2 نیز کاهش یافت. از داده های بالا می توان دریافت که قطبیت مولکول گاز تنها معیاری برای قضاوت در مورد قابلیت جذب آن توسط سیلیکاژل نیست و پیوند هیدروژنی تشکیل شده با سطح سیلیکاژل دلیل اصلی جذب پایدار آن است.

ترکیب سیلیکا ژل SiO2 ·nH2 O است، سطح وسیع ژل سیلیکا و گروه هیدروکسیل غنی روی سطح باعث می شود سیلیکاژل به عنوان یک خشک کن غیر سمی با عملکرد عالی استفاده شود و به طور گسترده در تولید و زندگی استفاده شود. . در این مقاله از دو جنبه آزمایشی و محاسبات نظری تایید شده است که سیلیکاژل می تواند NH3، HCl، SO2، CO2 و سایر گازها را از طریق پیوندهای هیدروژنی بین مولکولی جذب کند، بنابراین نمی توان از سیلیکاژل برای خشک کردن این گازها استفاده کرد. ترکیب سیلیکا ژل SiO2 ·nH2 O است، سطح وسیع ژل سیلیکا و گروه هیدروکسیل غنی روی سطح باعث می شود سیلیکاژل به عنوان یک خشک کن غیر سمی با عملکرد عالی استفاده شود و به طور گسترده در تولید و زندگی استفاده شود. . در این مقاله از دو جنبه آزمایشی و محاسبات نظری تایید شده است که سیلیکاژل می تواند NH3، HCl، SO2، CO2 و سایر گازها را از طریق پیوندهای هیدروژنی بین مولکولی جذب کند، بنابراین نمی توان از سیلیکاژل برای خشک کردن این گازها استفاده کرد.

３
شکل 6 حالت برهمکنش بین مولکول های مختلف و سطح سیلیکاژل با روش DFT محاسبه شده است