ХИМИЯ КРЕМНЕЗЕМА

Природа поверхности кремнезема

Химия поверхности кремнезема будет рассматриваться в гл. 6. Однако для полноты характеристик силикагелей и по­рошков следует указать методы для определения по крайней мере физических свойств кремнеземных поверхностей в порах.

Типы поверхностей. Поверхности могут быть классифициро­ваны следующим образом:

18*

1. Полностью гидроксилированная поверхность, когда по­верхностная структура обрывается силанольными группами SiOH. Такая поверхность легко смачивается водой и водо­растворимыми органическими молекулами. Все типы кремне­земов, у которых удалена вода путем их высушивания при температуре менее чем 150°С, относятся к данному типу.

2. Силоксановая поверхность состоит большей частью из атомов кислорода, причем каждый атом кислорода связывается с соседними атомами кремния. Обычно на такой поверхности также присутствует незначительная доля изолированных или парных групп SiOH. К данному типу относятся пирогенные кремнеземы, сконденсированные из парообразного состояния. Кроме того, для гидроксилированных образцов кремнезема, которые подвергаются дегидратации при ~ 1000°С, силоксано­вая поверхность формируется за счет удаления молекул воды, образуемых из смежных силанольных групп.

3. Органическая поверхность формируется за счет хими­чески или физически присоединенных органических молерул или радикалов. Образовавшаяся поверхность может проявлять следующие свойства:

А) гидрофобное и сильно органофильное поведение, когда расположенные снаружи группы являются углеводородными; б) гидрофильное и олеофобное поведение, когда присоединен­ные органические группы содержат расположенные снаружи группы С—ОН или другие сильно полярные группы; в) и гид­рофобное и олеофобное поведение, когда поверхностными яв­ляются фторуглеводородные группы.

Поверхность кремнезема является объектом быстро расши­ряющейся области исследований в связи с применением в хро­матографических колонках кремнеземных набивок, используе­мых как носители и адсорбенты. Здесь можно упомянуть только о нескольких характерных методах, разработанных в прошлом для изучения поверхности кремнезема.

Гидроксилированная поверхность может оцениваться рядом способов, как это обсуждается с некоторыми подробностями в работе Барби [196].

Теплота адсорбции. Ход изотермы адсорбции азота ме­няется в зависимости от степени гидроксилирования поверх­ности кремнезема, что проявляется в изменении константы С уравнения БЭТ. Это обстоятельство можно использовать в ка­честве приблизительной оценки относительного соотношения между силоксановыми и силанольными группами на частично гидратированной поверхности. На основании данных Ловена и Броуджа [33] было предложено соотношение

С = 30 +7,4ft

Где h — число силанольных групп на 1 нм2 поверхности.

Значение константы С понижалось также почти до 22, когда поверхность кремнезема покрывалась 1-бутоксигруппами по­средством этерификации некоторой части находящихся на поверхности силанольных групп. Остальные силанольные группы покрывались большими по размеру бутильными груп­пами и не подвергались действию азота. Аналогичным образом значение константы С заметно изменяется, когда силанольная поверхность кремнезема покрывается триметилсилильными оксигруппами в результате реакции с триметилхлорсиланом.

Адсорбция красителя метилового красного. Измерение ад­сорбции некоторых красителей из бензола является индика­цией степени гидроксилирования поверхности кремнезема при условии, что структура кремнезема имеет достаточные по размеру поры, чтобы они были полностью доступными для молекул красителя. Метод применяется для порошков и сили­кагелей с относительно большими порами, но не используется для плотных силикагелей. Такой метод был описан Ловеном и Броуджем [33].

Инфракрасное поглощение. Этот метод обычно применяется и широко используется для изучения поверхностных силаноль­ных групп. Метод более эффективен, когда он используется в комбинации с реакцией дейтеро-водородного обмена Н20—D20 [11]. Метод ИК-поглогцения более полно обсуждается в гл. 6; кроме того, сведения о нем обобщены в работе Барби [196]. Этот метод дает информацию о природе связей, возни­кающих на гидроксилированной поверхности кремнезема. К тому же часто можно определить природу связи органиче­ских молекул с такой поверхностью. Однако методом ИК-погло - щения в большинстве случаев можно получить только полу­количественные данные.

Химический анализ, проведенный после удаления летучих или растворимых соединений, не обязательно показывает, что оставшееся на поверхности органическое соединение находится в виде связанного однородного мономолекулярного слоя. Однако отсутствие силанольных групп указывает на наличие характерного покрытия на поверхности. Полезные сведения дает измерение изотерм адсорбции до и после удаления органи­ческого вещества с поверхности при таких условиях, когда не изменяется структура самого кремнезема. Если на поверхности находится известное процентное содержание связанного орга­нического вещества в виде слоя молекулярной толщины, то знание удельной поверхности, а также объема и диаметра пор кремнезема позволяет подсчитать толщину такого слоя.

Органическое вещество обычно может быть удалено посред­ством погружения образца в 70 %-ный раствор HN03 с после­дующим медленным нагреванием до 400°С на воздухе, чтобы полностью завершить окисление. При такой обработке боль­шинство образцов кремнезема не изменяется.