Үйлдвэрлэл болон амьдралд цахиурлаг гелийг N2, агаар, устөрөгч, байгалийн хий [1] гэх мэт хатаахад ашиглаж болно. Хүчиллэг, шүлтлэг бодисоор нь чийгшүүлэгчийг хүчил чийгшүүлэгч, шүлтлэг чийгшүүлэгч, төвийг сахисан чийгшүүлэгч гэж хувааж болно. Цахиурт гель нь NH3, HCl, SO2 гэх мэтийг хатаадаг төвийг сахисан хатаагч мэт харагдаж байна. Гэсэн хэдий ч зарчмын үүднээс авч үзвэл цахиурын гель нь ортосилик хүчлийн молекулуудын гурван хэмжээст молекул хоорондын хуурайшилтаас бүрддэг бөгөөд үндсэн хэсэг нь SiO2, ба гадаргуу нь гидроксил бүлгүүдээр баялаг (1-р зургийг үз). Цахиурлаг гель яагаад ус шингээж чаддаг вэ гэвэл цахиурын гадаргуу дээрх цахиурын гидроксил бүлэг нь усны молекулуудтай молекул хоорондын устөрөгчийн холбоо үүсгэж, усыг шингээж, улмаар хатаах үүрэг гүйцэтгэдэг. Өнгө нь өөрчлөгддөг цахиурт гель нь кобальтын ионуудыг агуулдаг бөгөөд шингээх ус нь ханасан болсны дараа өнгө өөрчлөгч цахиурт гель дэх кобальт ионууд нь гидратлаг кобальт ионууд болж, хөх цахиур нь ягаан өнгөтэй болдог. Ягаан өнгийн цахиурлаг гелийг 200 хэмд хэсэг хугацаанд халаасны дараа цахиурын болон усны молекулуудын хоорондох устөрөгчийн холбоо тасарч, өнгөө алдсан цахиурлаг гель дахин цэнхэр болж, цахиурын хүчил ба цахиурлаг гелийн бүтцийн диаграмм харагдах болно. 1-р зурагт үзүүлсэн шиг дахин ашиглах боломжтой. Тиймээс цахиурын гадаргуу нь гидроксил бүлгүүдээр баялаг тул цахиурын гадаргуу нь мөн NH3 ба HCl гэх мэт молекул хоорондын устөрөгчийн холбоо үүсгэж болох ба ийм байдлаар ажиллах арга байхгүй. NH3 ба HCl хатаах бодис бөгөөд одоо байгаа уран зохиолд холбогдох тайлан байхгүй байна. Тэгэхээр ямар үр дүн гарсан бэ? Энэ сэдэв нь дараах туршилтын судалгааг хийсэн.
ЗУРАГ. 1 Орто-цахиурын хүчил ба цахиурлаг гелийн бүтцийн диаграмм
2 Туршилтын хэсэг
2.1 Цахиурт гель хатаах бодис - аммиакийн хэрэглээний хамрах хүрээг судлах Эхлээд өнгө нь өөрчлөгдсөн цахиур гелийг нэрмэл ус болон аммиакийн төвлөрсөн усанд тус тус хийнэ. Өнгөө алдсан цахиурын гель нь нэрмэл усанд ягаан өнгөтэй болдог; Төвлөрсөн аммиакийн хувьд өнгө нь өөрчлөгддөг силикон нь эхлээд улаан болж, аажмаар цайвар цэнхэр өнгөтэй болдог. Энэ нь цахиурлаг гель аммиакийн NH3 эсвэл NH3 ·H2 O шингээх чадвартай болохыг харуулж байна. 2-р зурагт үзүүлснээр хатуу кальцийн гидроксид ба аммонийн хлоридыг жигд хольж, туршилтын хоолойд халаана. Үүссэн хий нь шүлтлэг шохой, дараа нь цахиурын гельээр арилдаг. Орох чиглэлийн ойролцоох цахиурын өнгө нь цайвар болно (Зураг 2-т цахиурын гель чийгшүүлэгчийг хэрэглэх хүрээний өнгийг судалсан - аммиак 73, 2023 оны 8-р үе шат нь дэвтээсэн цахиурын өнгөтэй үндсэндээ ижил байна. төвлөрсөн аммиакийн усанд), рН-ийн туршилтын цаас тодорхой өөрчлөлтгүй байна. Энэ нь үйлдвэрлэсэн NH3 нь рН-ийн туршилтын цаасанд хүрээгүй бөгөөд бүрэн шингээгдсэн болохыг харуулж байна. Хэсэг хугацааны дараа халаалтыг зогсоож, цахиурт гельний жижиг хэсгийг гаргаж аваад нэрмэл усанд хийж, усанд фенолфталеин нэмэхэд уусмал улаан болж хувирах нь цахиурт гель нь хүчтэй шингээх нөлөөтэй болохыг харуулж байна. NH3, нэрмэл усыг салгасны дараа NH3 нь нэрмэл усанд ордог, уусмал нь шүлтлэг байдаг. Тиймээс цахиурын гель нь NH3-ийг хүчтэй шингээх чадвартай тул силикон хатаах бодис нь NH3-ийг хатааж чадахгүй.
ЗУРАГ. 2 Цахиурт гель хатаах - аммиакийн хэрэглээний хамрах хүрээг судлах
2.2 Цахиурт гель чийг шингээгчийн хэрэглээний хамрах хүрээг судлах - устөрөгчийн хлорид эхлээд хатуу бүрэлдэхүүн хэсгүүдийн нойтон усыг зайлуулахын тулд NaCl хатуу бодисыг спиртийн гэрлийн дөлөөр шатаана. Дээжийг хөргөсний дараа төвлөрсөн хүхрийн хүчил NaCl-ийн хатуу бодисуудад нэмээд нэн даруй олон тооны бөмбөлөг үүсгэдэг. Үүссэн хийг цахиурын гель агуулсан бөмбөрцөг хатаах хоолойд хийж, хатаах хоолойн төгсгөлд нойтон рН-ийн туршилтын цаас байрлуулна. Урд талын цахиурын гель нь цайвар ногоон өнгөтэй болж, нойтон рН тестийн цаас нь тодорхой өөрчлөлтгүй (Зураг 3-ыг үз). Энэ нь үүссэн HCl хий нь цахиурт гелээр бүрэн шингэж, агаарт урсдаггүй болохыг харуулж байна.
Зураг 3 Цахиурт гель хатаах - устөрөгчийн хлоридын хэрэглээний хамрах хүрээний судалгаа
Цахиурт гель нь HCl-ийг шингээж, цайвар ногоон өнгөтэй болж туршилтын хоолойд хийсэн. Шинэ цэнхэр цахиурлаг гелийг туршилтын хоолойд хийж, төвлөрсөн давсны хүчил нэмээд цахиур цайвар ногоон өнгөтэй болж, хоёр өнгө нь үндсэндээ ижил байна. Энэ нь бөмбөрцөг хатаах хоолой дахь цахиурын хийг харуулж байна.
2.3 Цахиурт гель хатаах бодис — хүхрийн давхар исэл Натрийн тиосульфатын хатуу бодистой холимог баяжмал хүхрийн хүчил (4-р зургийг үз), NA2s2 O3 +H2 SO4 ==Na2 SO4 +SO2 ↑+S↓+H2 O; Үүссэн хий нь өнгөө алдсан цахиурт гель агуулсан хатаах хоолойгоор дамжих ба өнгөө алдсан цахиурт гель нь цайвар хөх-ногоон болж, нойтон туршилтын цаасны төгсгөлд байгаа цэнхэр лакмус цаас нь мэдэгдэхүйц өөрчлөгддөггүй бөгөөд энэ нь үүссэн SO2 хийтэй болохыг харуулж байна. цахиурын гель бөмбөлөгт бүрэн шингэсэн тул зугтаж чадахгүй.
ЗУРАГ. 4 Цахиурт гель хатаах бодис - хүхрийн давхар ислийн хэрэглээний хамрах хүрээг судлах.
Цахиурт гель бөмбөлгийн нэг хэсгийг аваад нэрмэл усанд хийнэ. Бүрэн тэнцвэржүүлсний дараа цэнхэр лакмус цаасан дээр бага хэмжээний усны дуслыг авна. Туршилтын цаас мэдэгдэхүйц өөрчлөгддөггүй нь нэрмэл ус нь цахиурын гель дэх SO2-ийг шингээхэд хангалтгүй байгааг харуулж байна. Цахиурт гельний жижиг хэсгийг аваад туршилтын хоолойд халаана. Туршилтын хоолойн аманд нойтон цэнхэр лакмус цаас хийнэ. Цэнхэр лакмус цаас улаан болж, халаалт нь цахиурын гель бөмбөлөгөөс SO2 хий ялгаруулж, улмаар лакмус цаас улаан өнгөтэй болж байгааг харуулж байна. Дээрх туршилтууд нь цахиурлаг гель нь SO2 эсвэл H2 SO3-д хүчтэй шингээх нөлөөтэй бөгөөд SO2 хийг хатаахад ашиглах боломжгүй болохыг харуулж байна.
2.4 Цахиурт гель хатаах - нүүрстөрөгчийн давхар ислийн хэрэглээний хамрах хүрээг судлах
5-р зурагт үзүүлснээр натрийн бикарбонатын уусмал дусааж буй фенолфталеин нь цайвар улаан өнгөтэй харагдаж байна. Натрийн бикарбонатын хатуу бодисыг халааж, үүссэн хийн хольцыг хатаасан цахиурлаг гель бүхий бөмбөрцөг бүхий хатаах хоолойгоор дамжуулдаг. Цахиурт гель нь мэдэгдэхүйц өөрчлөгддөггүй бөгөөд фенолфталейн дусаах натрийн бикарбонат нь HCl-ийг шингээдэг. Өнгөө алдсан цахиурт гель дэх кобальт ион нь Cl-тэй ногоон уусмал үүсгэж, аажмаар өнгөгүй болж, бөмбөрцөг хатаах хоолойн төгсгөлд CO2 хийн цогцолбор байгааг харуулж байна. Цайвар ногоон өнгөтэй цахиурлаг гелийг нэрмэл усанд хийж, өнгөө алдсан цахиурлаг гель аажмаар шар болж хувирдаг нь цахиурт гелээр шингэсэн HCl нь усанд шингэсэн болохыг харуулж байна. Азотын хүчлээр хүчиллэгжүүлсэн мөнгөний нитратын уусмалд дээд усан уусмалаас бага зэрэг нэмээд цагаан тунадас үүсгэв. Бага хэмжээний усан уусмалыг өргөн хүрээний рН-ийн туршилтын цаасан дээр буулгахад туршилтын цаас улаан болж, уусмал нь хүчиллэг болохыг харуулж байна. Дээрх туршилтууд нь цахиурын гель нь HCl хийд хүчтэй шингэдэг болохыг харуулж байна. HCl нь хүчтэй туйлтай молекул бөгөөд цахиурлаг гелийн гадаргуу дээрх гидроксил бүлэг нь мөн хүчтэй туйлшралтай бөгөөд энэ хоёр нь молекул хоорондын устөрөгчийн холбоо үүсгэх эсвэл харьцангуй хүчтэй диполь диполь харилцан үйлчлэлтэй байж, цахиурын гадаргуу хооронд харьцангуй хүчтэй молекул хоорондын хүчийг бий болгодог. гель ба HCl молекулууд байдаг тул цахиурт гель нь HCl-ийн хүчтэй шингээлттэй байдаг. Тиймээс силикон хатаах бодисыг HCl-ийн гадагшлах бодисыг хатаахад ашиглаж болохгүй, өөрөөр хэлбэл цахиурын гель нь CO2-ыг шингээдэггүй эсвэл зөвхөн хэсэгчлэн шингээдэг.
ЗУРАГ. 5 Цахиурын гель хатаах бодис - нүүрстөрөгчийн давхар ислийн хэрэглээний хамрах хүрээг судлах.
Цахиурт гелийг нүүрстөрөгчийн давхар ислийн хийд шингээх чадварыг батлахын тулд дараах туршилтуудыг үргэлжлүүлж байна. Бөмбөрцөг хатаах хоолой дахь цахиурлаг гель бөмбөгийг зайлуулж, хэсгийг нь натрийн бикарбонатын уусмалд фенолфталейн дуслаар хуваасан. Натрийн бикарбонатын уусмалыг өнгөгүй болгосон. Энэ нь цахиурын гель нь нүүрстөрөгчийн давхар ислийг шингээж, усанд ууссаны дараа нүүрстөрөгчийн давхар исэл натрийн бикарбонатын уусмалд шингэж, натрийн бикарбонатын уусмалыг бүдгэрүүлж байгааг харуулж байна. Силикон бөмбөлөгний үлдсэн хэсгийг хуурай туршилтын хоолойд халааж, үүссэн хий нь фенолфталейн дуслаар натрийн бикарбонатын уусмал руу шилждэг. Удалгүй натрийн бикарбонатын уусмал цайвар улаанаас өнгөгүй болж өөрчлөгдөнө. Энэ нь цахиурын гель CO2 хий шингээх чадвартай хэвээр байгааг харуулж байна. Гэсэн хэдий ч цахиурлаг гелийн CO2-д шингээх хүч нь HCl, NH3, SO2-ээс хамаагүй бага бөгөөд 5-р зурагт үзүүлсэн туршилтын явцад нүүрстөрөгчийн давхар ислийг зөвхөн хэсэгчлэн шингээж авах боломжтой. цахиурлаг гель ба CO2 нь молекул хоорондын устөрөгчийн холбоог үүсгэдэг Si — OH... O =C. CO2-ийн төв нүүрстөрөгчийн атом нь sp эрлийз, цахиурт гель дэх цахиурын атом нь sp3 эрлийз байдаг тул шугаман CO2 молекул нь цахиурлаг гелийн гадаргуутай сайн харьцдаггүй тул нүүрстөрөгчийн давхар исэлд цахиурын шингээх хүч харьцангуй бага байдаг. жижиг.
3.Дөрвөн хийн усанд уусах чадвар ба цахиурын гадарга дээрх шингээлтийн төлөвийн харьцуулалт Дээрх туршилтын үр дүнгээс харахад цахиур нь аммиак, хлорт устөрөгч, хүхрийн давхар ислийг шингээх чадвартай боловч нүүрстөрөгчийн давхар ислийг шингээх бага хүч (Хүснэгт 1-ийг үз). Энэ нь дөрвөн хийн усанд уусах чадвартай адил юм. Энэ нь усны молекулуудад гидрокси-OH агуулагддаг, цахиурын гадаргуу нь мөн гидроксилээр баялаг учраас эдгээр дөрвөн хийн усанд уусах чадвар нь цахиурлаг гелийн гадаргууд шингээхтэй тун төстэй байдагтай холбоотой байж болох юм. Аммиакийн хий, устөрөгчийн хлорид, хүхрийн давхар ислийн гурван хий дотроос хүхрийн давхар исэл нь усанд уусах чадвар нь хамгийн бага боловч цахиурт гельээр шингээгдсэний дараа гурван хий дотроос шингээхэд хамгийн хэцүү нь юм. Цахиурт гель нь аммиак ба устөрөгчийн хлоридыг шингээж авсны дараа уусгагч усаар шингээж болно. Хүхрийн давхар ислийн хийг цахиурлаг гелээр шингээж авсны дараа усаар шингээхэд хэцүү тул цахиурлаг гелийн гадаргуугаас шингээх хүртэл халаах шаардлагатай. Иймд цахиурын гадарга дээрх дөрвөн хийн шингээлтийг онолын хувьд тооцоолох ёстой.
4 Цахиурт гель ба дөрвөн хийн харилцан үйлчлэлийн онолын тооцоог нягтын функциональ онолын (DFT) хүрээнд квантчлалын ORCA программд [4] үзүүлэв. DFT D/B3LYP/Def2 TZVP аргыг янз бүрийн хий болон цахиурын гель хоорондын харилцан үйлчлэлийн горим, энергийг тооцоолоход ашигласан. Тооцооллыг хялбарчлахын тулд цахиурын гель хатуу бодисыг тетрамерийн ортосилик хүчлийн молекулуудаар төлөөлдөг. Тооцооллын үр дүнд H2 O, NH3 болон HCl нь цахиурын гадаргуу дээрх гидроксил бүлэгтэй устөрөгчийн холбоо үүсгэж чаддаг болохыг харуулж байна (Зураг 6a ~ c-г үз). Эдгээр нь цахиурлаг гель гадаргуу дээр харьцангуй хүчтэй холбох энергитэй байдаг (Хүснэгт 2-ыг үзнэ үү) бөгөөд цахиурлаг гель гадаргуу дээр амархан шингэдэг. NH3 ба HCl-ийн холболтын энерги нь H2 O-той төстэй байдаг тул усаар угаах нь эдгээр хоёр хийн молекулыг шингээхэд хүргэдэг. SO2 молекулын хувьд түүний холбох энерги нь ердөө -17.47 кЖ/моль бөгөөд дээрх гурван молекулаас хамаагүй бага юм. Гэвч туршилтаар SO2 хий нь цахиурт гель дээр амархан шингэдэг, угаахад ч шингэж чадахгүй, зөвхөн халаахад л цахиурын гадаргуугаас SO2 гадагшилдаг болохыг баталсан. Тиймээс SO2 нь цахиурлаг гелийн гадаргуу дээр H2 O-тэй нэгдэж H2 SO3 фракц үүсгэх магадлалтай гэж бид таамагласан. Зураг 6e-д H2 SO3 молекул нь цахиурын гадаргуу дээрх гидроксил ба хүчилтөрөгчийн атомуудтай устөрөгчийн гурван холбоог нэгэн зэрэг үүсгэн, холбох энерги нь -76.63 кЖ/моль өндөр байгааг харуулж байгаа нь SO2 яагаад шингэсэн болохыг тайлбарлаж байна. цахиурын гель нь усаар зайлуулахад хэцүү байдаг. Туйл бус CO2 нь цахиур гельтэй хамгийн сул холбох чадвартай бөгөөд зөвхөн цахиурлаг гелээр хэсэгчлэн шингээх чадвартай. Хэдийгээр H2 CO3 ба цахиурлаг гелийг холбох энерги мөн -65.65 кЖ/моль хүрсэн ч CO2-ийн H2 CO3-д шилжих хурд өндөр биш байсан тул CO2-ийн шингээлтийн хурд мөн буурсан байна. Дээрх өгөгдлөөс харахад хийн молекулын туйлшрал нь цахиурлаг гелээр шингээх эсэхийг дүгнэх цорын ганц шалгуур биш бөгөөд цахиурлаг гель гадаргуутай үүссэн устөрөгчийн холбоо нь тогтвортой шингээх гол шалтгаан болдог.
Цахиурт гель нь SiO2 ·nH2 O бөгөөд цахиурлаг гель нь асар том гадаргуугийн талбай, гадаргуу дээрх баялаг гидроксил бүлэг нь цахиур гелийг маш сайн гүйцэтгэлтэй, хоргүй хатаагч болгон ашиглах боломжтой бөгөөд үйлдвэрлэл, амьдралд өргөн хэрэглэгддэг. . Энэхүү нийтлэлд цахиурлаг гель нь NH3, HCl, SO2, CO2 болон бусад хийг молекул хоорондын устөрөгчийн холбоогоор шингээж чаддаг тул цахиурлаг гелийг эдгээр хийг хатаахад ашиглах боломжгүй гэдгийг туршилтын болон онолын тооцооны хоёр талаас баталсан. Цахиурт гель нь SiO2 ·nH2 O бөгөөд цахиурлаг гель нь асар том гадаргуугийн талбай, гадаргуу дээрх баялаг гидроксил бүлэг нь цахиур гелийг маш сайн гүйцэтгэлтэй, хоргүй хатаагч болгон ашиглах боломжтой бөгөөд үйлдвэрлэл, амьдралд өргөн хэрэглэгддэг. . Энэхүү нийтлэлд цахиурлаг гель нь NH3, HCl, SO2, CO2 болон бусад хийг молекул хоорондын устөрөгчийн холбоогоор шингээж чаддаг тул цахиурлаг гелийг эдгээр хийг хатаахад ашиглах боломжгүй гэдгийг туршилтын болон онолын тооцооны хоёр талаас баталсан.
３
ЗУРАГ. 6 Өөр өөр молекулууд болон цахиурлаг гель гадаргуу хоорондын харилцан үйлчлэлийн горимыг DFT аргаар тооцоолсон
Шуудангийн цаг: 2023 оны 11-р сарын 14-ний өдөр
