Силикагель

Силикаге́ль (англ. silica gel), силикатный гель — высушенный гель, образующийся из перенасыщенных растворов кремниевых кислот (nSiO₂·mH₂O) при pH > 5—6.

Применяется как твёрдый гидрофильный сорбент^[1].

Получается при подкислении водных растворов силикатов щелочных металлов с последующей промывкой от соли щелочного металла и высушиванием образовавшегося геля, например:

${\displaystyle {\mathsf {Na_{2}SiO_{3}+2HCl\rightarrow 2NaCl+H_{2}SiO_{3}\downarrow }}}$

Обезвоживанием концентрированных золей коллоидного кремнезёма:

${\displaystyle {\mathsf {H_{2}SiO_{3}\rightarrow SiO_{2}+H_{2}O}}}$

Гидролизом соединений кремния, например, тетрахлорида кремния или разложением сложных эфиров ортокремниевой кислоты.

При изготовлении некоторых марок силикагеля в него добавляют в небольшом количестве цветовые индикаторы влажности, — вещества, изменяющие свой цвет при изменении степени гидратации. Обычно в качестве такого вещества используют соли двухвалентного кобальта, например, хлорид кобальта. В обезвоженном состоянии эта соль имеет тёмно-синий цвет, при гидратации изменяет цвет на светло-розовый.

Также в качестве цветового индикатора влажности используют органический краситель — метилвиолет, который при изменении влажности изменяет цвет от зелёного до оранжевого или бесцветного.

В качестве индикатора влажности, зёрна индикаторного силикагеля добавляют в небольшом количестве к зёрнам обычного, неокрашенного силикагеля.

Цветовые индикаторы небезопасны, так, хлорид кобальта токсичен и является канцерогеном^[2]. Имеются сведения, что и метилвиолет может являться канцерогеном^[3], но он менее вреден и допускается для применения даже в медицине^[].

Силикагель имеет огромную площадь поверхности (750–800 м²/г), состоящую из групп —SiOH, расположенных на расстоянии 0,5 нм друг от друга. Эти группы являются активными центрами, причём активность конкретной марки силикагеля зависит от числа и активности таких центров. В активном адсорбенте, то есть таком, из которого удалена адсорбированная на его поверхности вода, многие центры будут активны. Такая активация происходит при нагревании геля до 150—200 °C.

При нагревании до более высокой температуры в интервале 200—400 °C адсорбционная активность теряется в результате образования связей Si-O-Si, происходящего с отщеплением воды. Этот процесс обратим. При нагревании выше 400 °C площадь сорбирующей поверхности силикагеля необратимо уменьшается.

Активные центры взаимодействуют с полярными растворёнными веществами главным образом за счёт образования водородных связей.

Согласно ГОСТ 3956—76 силикагели классифицируются по:

• форме зёрен (гранулированные или кусковые);
• размерам зёрен (крупные и мелкие);
• размерам пор (крупнопористые и мелкопористые).

Принято четырёхбуквенное обозначение марки силикагеля согласно ГОСТ 3956—76^[4].

• 1-я буква характеризует размер гранул (К — крупный, М — мелкий, А — активированный, Ш — шихтовый);
• 2-я буква всегда С (силикагель);
• 3-я буква размер пор (К — крупнопористый, М — мелкопористый);
• 4-я буква форма частиц (Г — гранулированный, К — кусковой).

Товарный силикагель обычно выпускают в виде зёрен или шаровидных гранул размером от 5—7 до 10⁻² мм. Различные марки силикагелей имеют средний эффективный диаметр пор 20—150Å и удельную поверхность 100—1000 м²/г.

Также существуют гидрогели (аквагели), в которых поры заполнены водой, алкогели (спиртовые гели), ксерогели, в которых из геля удалены любые жидкости, аэрогели (высушенные в автоклаве при нагревании выше критической точки).

Существуют силикагели специального назначения, например, силикагель-индикатор влажности (пропитанный солями кобальта, по мере впитывания влаги и снижения активности гранулы изменяют окраску с голубой на розовую), силикагели для хроматографии, силикагели для бытовых холодильников и ряд других марок.

Основное применение силикагели находят при осушке различных газов — воздуха, углекислого газа, водорода, кислорода, азота, хлора и других промышленных газов (например, в осушителях сжатого воздуха).

Обычно силикагелем наполняют какую-либо газопроницаемую или перфорированную оболочку, например, пластиковые пакетики — осушители. Осушители до их использования хранят в герметичной таре для предотвращения поглощения ими влаги из воздуха. Осушители начинают действовать сразу же, как только их вынимают из влагонепроницаемой защитной упаковки, поэтому они должны оставаться в герметичной таре как можно дольше.

Для повышения эффективности осушителей их целесообразнее всего, по возможности, свободно подвешивать в верхней части упаковки с изделием. Желательно, чтобы упаковка изделия или товара была герметична. Также выпускаются «контейнерные осушители» — осушители с большим количествам силикагеля из-за большой массы относительно поверхности осушителя оно действуют медленнее, что увеличивает срок службы осушителя до насыщения влагой и потери им осушающих свойств.

Способность силикагеля поглощать значительное количество воды используется для осушки различных жидкостей, в особенности, в том случае, когда в обезвоживаемой жидкости плохо растворяется вода (например, сушка галогенированных органических жидкостей типа фреонов).

Силикагели служат также осушителями при консервации оборудования для предохранения его от коррозии.

Наряду с водой силикагели хорошо поглощают пары многих органических веществ. Этим его свойством пользуются для улавливания (рекуперации) паров бензина, бензола, эфира, ацетона и т. п. из воздуха, бензола, из газовых коксовых печей и бензина из природных газов.

Свойство силикагеля поглощать многие вещества из жидкой фазы используют в промышленной очистке различных масел, удаления серы из продуктов дистилляции нефти и для удаления из нефти высокополимерных смолистых веществ.

Также силикагель используют как адсорбент для наполнения хроматографических колонок в хроматографии, как поглотитель воды (осушитель) органических растворителей, адсорбционной очистки неполярных жидкостей; для разделения спиртов, аминокислот, витаминов, антибиотиков и др.). Крупнопористые силикагели применяются как носители катализаторов.

Силикагель хорошо адсорбирует атомы радона и его изотопов^[].

В быту силикагель широко используется для производства наполнителей для лотков домашних животных.

Силикагель прекрасно справляется с поставленной задачей благодаря уникальной атомной структуре, которая позволяет связываться с большим количеством жидкости, а также помогает нейтрализовать любые запахи и при этом является биоразлагаемым.

Силикагель безопасен даже при попадании в желудок животного или при вдыхании. Обычные комкующиеся глиняные наполнители могут быть более опасными при проглатывании из-за состава из натриевой бентонитовой глины, которая потенциально опасна при проглатывании или вдыхании. До сих пор не было обнаружено никакой связи между кварцевой пылью и кошачьими респираторными заболеваниями^[].

Силикагель пожаро- и взрывобезопасен, по степени воздействия на организм относится к веществам 3-го класса опасности. Пыль силикагеля содержит от 10 до 70 % свободного диоксида кремния. При хроническом вдыхании такой пыли возможно развитие болезни лёгких — силикоза. Поэтому при регулярной работе с силикагелем рекомендуют использовать индивидуальные средства защиты органов дыхания от пыли.

Силикагель с цветовым индикатором влажности может содержать хлорид кобальта(II), который токсичен и является канцерогеном^[5].

• Кольцов С. И., Алесковский В. Б. Силикагель, его строение и химические свойства. — Л., 1963.
• Беркман С., Морелл Д., Эглофф Г. Катализ в неорганической и органической химии, книга вторая. — М.: Гостоптехиздат, 1949.
• Силикагели // Газпром нефтехим Салават: энциклопедия / гл. ред. Д. Р. Ягтман. — Уфа: Башкирская энциклопедия, 2012. — С. 353—354. — 472 с.: ил., карта. — 2000 экз. — ISBN 978-5-88185-079-1; УДК 338 Г13; ББК 65.304.13(2Рос. Баш.)я2.