생산과 생활에서 실리카겔은 N2, 공기, 수소, 천연가스[1] 등을 건조시키는 데 사용할 수 있습니다. 건조제는 산과 알칼리에 따라 산성 건조제, 알칼리성 건조제, 중성 건조제로 구분됩니다. 실리카겔은 NH3, HCl, SO2 등을 건조시키는 것처럼 보이는 중성 건조기로 보입니다. 그러나 원리적인 관점에서 보면 실리카겔은 오르토규산 분자의 3차원 분자간 탈수로 구성되어 있으며 주체는 SiO2, 표면에는 수산기가 풍부합니다(그림 1 참조). 실리카겔이 물을 흡수할 수 있는 이유는 실리카겔 표면의 실리콘 수산기가 물 분자와 분자간 수소결합을 형성하여 물을 흡착하여 건조시키는 역할을 할 수 있기 때문입니다. 변색 실리카겔에는 코발트 이온이 포함되어 있으며 흡착수가 포화 상태에 도달하면 변색 실리카겔의 코발트 이온이 수화 코발트 이온이 되어 파란색 실리카겔이 분홍색으로 변합니다. 핑크색 실리카겔을 200℃에서 일정 시간 가열하면 실리카겔과 물 분자 사이의 수소 결합이 끊어지고 변색된 실리카겔이 다시 파란색으로 변하여 규산과 실리카겔의 구조도를 알 수 있습니다. 따라서 그림 1과 같이 재사용할 수 있습니다. 따라서 실리카겔 표면에는 수산기가 풍부하므로 실리카겔 표면도 NH3, HCl 등과 분자간 수소결합을 형성할 수 있으며, NH3 및 HCl의 건조제이며 기존 문헌에는 관련 보고가 없습니다. 그래서 결과는 어땠나요? 본 주제에서는 다음과 같은 실험적 연구를 수행하였다.
무화과. 1 오르토규산과 실리카겔의 구조도
2 실험부분
2.1 실리카겔 건조제의 적용 범위 탐색 - 암모니아 먼저 변색된 실리카겔을 증류수와 농축 암모니아수에 각각 담았습니다. 변색된 실리카겔은 증류수에 넣으면 분홍색으로 변합니다. 농축된 암모니아에서는 색상이 변하는 실리콘이 먼저 빨간색으로 변하고 천천히 연한 파란색으로 변합니다. 이는 실리카겔이 암모니아에 포함된 NH3 또는 NH3·H2O를 흡수할 수 있음을 보여줍니다. 그림 2에서 보는 바와 같이 고체 수산화칼슘과 염화암모늄을 시험관에 균일하게 혼합하여 가열한다. 생성된 가스는 알칼리 석회로 제거한 다음 실리카겔로 제거합니다. 입구 방향 부근의 실리카겔 색상이 연해집니다. (그림 2의 실리카겔 건조제 적용 범위 색상을 살펴보았습니다. - 암모니아 73, 2023년 8단계는 실리카겔을 담근 색상과 기본적으로 동일합니다. 농축된 암모니아수), pH 테스트 용지에는 뚜렷한 변화가 없습니다. 이는 생성된 NH3가 pH 시험지에 도달하지 않았으며 완전히 흡착되었음을 나타냅니다. 일정 시간 후 가열을 중지하고 실리카겔 볼의 작은 부분을 꺼내 증류수에 넣고 물에 페놀프탈레인을 첨가하면 용액이 빨간색으로 변하여 실리카겔이 강한 흡착 효과가 있음을 나타냅니다. NH3, 증류수가 분리된 후 NH3가 증류수에 들어가고 용액은 알칼리성입니다. 따라서 실리카겔은 NH3에 대한 흡착력이 강하기 때문에 실리콘 건조제는 NH3를 건조시킬 수 없습니다.
무화과. 2 실리카겔 건조제 - 암모니아의 적용 범위 탐색
2.2 실리카겔 건조제의 적용 범위 탐색 - 염화수소는 먼저 알코올 램프 불꽃으로 NaCl 고체를 연소하여 고체 성분의 젖은 물을 제거합니다. 시료를 냉각시킨 후 NaCl 고형물에 진한 황산을 첨가하면 즉시 많은 수의 기포가 생성됩니다. 생성된 가스는 실리카겔이 들어 있는 구형 건조관에 들어가고, 건조관 끝에 습윤 pH 시험지를 놓는다. 앞부분의 실리카겔은 연한 녹색으로 변하고, 젖은 pH 시험지는 뚜렷한 변화가 없습니다(그림 3 참조). 이는 생성된 HCl 가스가 실리카겔에 완전히 흡착되어 대기 중으로 빠져나가지 않는다는 것을 보여줍니다.
그림 3 실리카겔 건조제-염화수소의 적용범위에 관한 연구
HCl을 흡착하여 연한 녹색으로 변한 실리카겔을 시험관에 넣었다. 새 파란색 실리카겔을 시험관에 넣고 진한 염산을 넣으면 실리카겔도 연한 녹색으로 변하며 두 색상은 기본적으로 동일합니다. 이는 구형 건조 튜브의 실리카겔 가스를 보여줍니다.
2.3 실리카겔 건조제의 적용 범위 탐색 - 이산화황 농축 황산과 티오황산나트륨 고체 혼합(그림 4 참조), NA2s2 O3 +H2 SO4 ==Na2 SO4 +SO2 ↑+S↓+H2 O; 생성된 가스는 변색된 실리카겔이 담긴 건조관을 통과하면 변색된 실리카겔은 연한 청록색으로 변하며, 젖은 시험지 끝에 붙은 파란색 리트머스지는 크게 변하지 않아 생성된 SO2 가스가 실리카겔 볼에 완전히 흡착되어 탈출할 수 없습니다.
무화과. 4 실리카겔 건조제의 적용 범위 탐색 - 이산화황
실리카겔 볼의 일부를 떼어내고 증류수에 넣어주세요. 균형을 완전히 맞춘 후 파란색 리트머스 종이에 소량의 물방울을 떨어뜨립니다. 시험지는 크게 변하지 않았는데, 이는 증류수가 실리카겔에서 SO2를 탈착하기에 충분하지 않음을 나타냅니다. 실리카겔 볼의 작은 부분을 가져다가 시험관에서 가열합니다. 시험관 입구에 젖은 파란색 리트머스 종이를 놓습니다. 파란색 리트머스 종이가 빨간색으로 변하는 것은 열을 가하면 실리카겔 볼에서 SO2 가스가 탈착되어 리트머스 종이가 빨간색으로 변한다는 것을 나타냅니다. 위의 실험은 실리카겔이 SO2 또는 H2SO3에 대한 강력한 흡착 효과를 가지며 SO2 가스를 건조하는 데 사용할 수 없음을 보여줍니다.
2.4 실리카겔 건조제의 적용 범위 탐색 - 이산화탄소
그림 5에서 볼 수 있듯이 페놀프탈레인을 적하한 중탄산나트륨 용액은 연한 빨간색으로 나타납니다. 중탄산나트륨 고체를 가열하고 생성된 가스 혼합물을 건조된 실리카겔 구체가 들어 있는 건조 튜브를 통과시킵니다. 실리카겔은 크게 변하지 않으며 페놀프탈레인과 함께 떨어지는 중탄산나트륨은 HCl을 흡착합니다. 변색된 실리카겔 내의 코발트 이온은 Cl-와 녹색 용액을 형성하며 점차 무색으로 변하는데, 이는 구형 건조관 끝에 CO2 가스 복합체가 있음을 나타냅니다. 연한 녹색 실리카겔을 증류수에 넣으면 변색된 실리카겔이 점차 노란색으로 변하여 실리카겔에 흡착된 HCl이 물 속으로 탈착되었음을 나타냅니다. 질산으로 산성화된 질산은 용액에 상부 수용액을 소량 첨가하여 백색 침전을 형성하였다. 넓은 범위의 pH 시험지에 소량의 수용액을 떨어뜨리면 시험지가 빨간색으로 변하여 용액이 산성임을 나타냅니다. 위의 실험은 실리카겔이 HCl 가스에 강한 흡착력을 가지고 있음을 보여줍니다. HCl은 극성이 강한 분자로 실리카겔 표면의 수산기 역시 극성이 강하여 둘이 분자간 수소결합을 형성하거나 상대적으로 강한 쌍극자 쌍극자 상호작용을 하여 실리카 표면 사이에 상대적으로 강한 분자간 힘을 갖게 된다. 겔과 HCl 분자가 결합되어 있으므로 실리카겔은 HCl을 강력하게 흡착합니다. 따라서 실리콘 건조제는 HCl 탈출을 건조시키는 데 사용할 수 없습니다. 즉, 실리카겔은 CO2를 흡착하지 않거나 CO2를 부분적으로만 흡착합니다.
무화과. 5 실리카겔 건조제 - 이산화탄소의 적용 범위 탐색
실리카겔의 이산화탄소 가스 흡착을 증명하기 위해 다음과 같은 실험을 계속한다. 구형 건조관 속의 실리카겔 볼을 제거하고, 페놀프탈레인을 적하한 중탄산나트륨 용액에 나누어 담는다. 중탄산나트륨 용액이 탈색되었다. 이는 실리카겔이 이산화탄소를 흡착하고, 물에 용해된 후 이산화탄소가 중탄산나트륨 용액으로 탈착되어 중탄산나트륨 용액이 퇴색된다는 것을 보여줍니다. 실리콘 볼의 나머지 부분을 건조한 시험관에서 가열하고 생성된 가스를 페놀프탈레인이 적하된 중탄산나트륨 용액에 통과시킵니다. 곧, 중탄산나트륨 용액은 연한 빨간색에서 무색으로 변합니다. 이는 또한 실리카겔이 여전히 CO2 가스 흡착 능력을 가지고 있음을 보여줍니다. 그러나 CO2에 대한 실리카겔의 흡착력은 HCl, NH3 및 SO2에 비해 훨씬 작으며 그림 5의 실험에서는 이산화탄소가 부분적으로만 흡착될 수 있습니다. 실리카겔이 CO2를 부분적으로 흡착할 수 있는 이유는 아마도 다음과 같습니다. 실리카겔과 CO2는 분자간 수소 결합 Si-OH…O =C를 형성합니다. CO2의 중심 탄소 원자는 sp 하이브리드이고 실리카겔의 실리콘 원자는 sp3 하이브리드이기 때문에 선형 CO2 분자는 실리카겔 표면과 잘 협력하지 않아 이산화탄소에 대한 실리카겔의 흡착력이 상대적으로 약합니다. 작은.
3.4가지 기체의 물에 대한 용해도와 실리카겔 표면의 흡착상태 비교 위의 실험결과로부터 실리카겔은 암모니아, 염화수소, 이산화황에 대한 흡착능이 강한 것을 알 수 있지만, 이산화탄소에 대한 흡착력이 작습니다(표 1 참조). 이는 물에 있는 네 가지 기체의 용해도와 유사합니다. 이는 물 분자에 하이드록시-OH가 포함되어 있고 실리카겔 표면에도 하이드록실이 풍부하기 때문에 이 네 가지 가스의 물에 대한 용해도는 실리카겔 표면의 흡착과 매우 유사하기 때문일 수 있습니다. 암모니아 가스, 염화수소, 이산화황의 세 가지 가스 중 이산화황은 물에 대한 용해도가 가장 작지만 실리카겔에 흡착된 후 세 가지 가스 중에서 탈착이 가장 어렵습니다. 실리카겔은 암모니아와 염화수소를 흡착한 후 용제수로 탈착할 수 있습니다. 이산화황 가스는 실리카겔에 흡착된 후 물로 탈착하기 어렵고, 실리카겔 표면에서 탈착하려면 가열해야 합니다. 그러므로 실리카겔 표면에 4가지 기체의 흡착을 이론적으로 계산해야 합니다.
4 실리카겔과 4가지 가스 사이의 상호 작용에 대한 이론적 계산은 밀도 범함수 이론(DFT)의 틀 아래 양자화 ORCA 소프트웨어[4]에 제시되어 있습니다. DFT D/B3LYP/Def2 TZVP 방법은 다양한 가스와 실리카겔 간의 상호 작용 모드와 에너지를 계산하는 데 사용되었습니다. 계산을 단순화하기 위해 실리카겔 고체는 사량체 오르토규산 분자로 표시됩니다. 계산 결과는 H2O, NH3 및 HCl이 모두 실리카겔 표면의 수산기와 수소 결합을 형성할 수 있음을 보여줍니다(그림 6a~c 참조). 이들은 실리카겔 표면에서 상대적으로 강한 결합 에너지를 가지며(표 2 참조) 실리카겔 표면에 쉽게 흡착됩니다. NH3와 HCl의 결합 에너지는 H2O의 결합 에너지와 유사하므로 물 세척으로 인해 이 두 가스 분자가 탈착될 수 있습니다. SO2 분자의 경우 결합 에너지는 -17.47 kJ/mol에 불과하며 이는 위의 세 분자보다 훨씬 작습니다. 그러나 실험을 통해 SO2 가스는 실리카겔에 쉽게 흡착되어 세척을 하여도 탈착되지 않고, 가열만으로도 SO2가 실리카겔 표면에서 빠져나올 수 있음이 확인되었습니다. 따라서 우리는 SO2가 실리카겔 표면의 H2O와 결합하여 H2SO3 분획을 형성할 가능성이 있다고 추측했습니다. 그림 6e는 H2 SO3 분자가 실리카겔 표면의 수산기 및 산소 원자와 동시에 3개의 수소 결합을 형성하고 결합 에너지가 -76.63 kJ/mol로 높다는 것을 보여줍니다. 이는 SO2가 실리카겔 표면에 흡착되는 이유를 설명합니다. 실리카겔은 물에서 빠져 나오기 어렵습니다. 비극성 CO2는 실리카겔과의 결합력이 가장 약하며 실리카겔에 의해 부분적으로만 흡착될 수 있습니다. H2 CO3와 실리카겔의 결합에너지도 -65.65 kJ/mol에 도달했지만, CO2의 H2 CO3로의 전환율은 높지 않아 CO2의 흡착율도 감소했습니다. 위의 데이터에서 알 수 있듯이, 가스 분자의 극성만이 실리카겔의 흡착 가능 여부를 판단하는 유일한 기준이 아니며, 실리카겔 표면에 형성된 수소 결합이 안정적인 흡착의 주된 이유임을 알 수 있습니다.
실리카겔의 조성은 SiO2·nH2O이며 실리카겔의 표면적이 크고 표면에 풍부한 수산기가 있어 실리카겔은 우수한 성능을 가진 무독성 건조기로 사용할 수 있으며 생산 및 생활에 널리 사용됩니다. . 본 논문에서는 실험과 이론적 계산의 두 가지 측면에서 실리카겔이 분자간 수소 결합을 통해 NH3, HCl, SO2, CO2 및 기타 가스를 흡착할 수 있으므로 실리카겔을 이러한 가스 건조에 사용할 수 없음을 확인했습니다. 실리카겔의 조성은 SiO2·nH2O이며 실리카겔의 표면적이 크고 표면에 풍부한 수산기가 있어 실리카겔은 우수한 성능을 가진 무독성 건조기로 사용할 수 있으며 생산 및 생활에 널리 사용됩니다. . 본 논문에서는 실험과 이론적 계산의 두 가지 측면에서 실리카겔이 분자간 수소 결합을 통해 NH3, HCl, SO2, CO2 및 기타 가스를 흡착할 수 있으므로 실리카겔을 이러한 가스 건조에 사용할 수 없음을 확인했습니다.
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무화과. 6 DFT 방법으로 계산된 서로 다른 분자와 실리카겔 표면 간의 상호작용 모드
게시 시간: 2023년 11월 14일
