Gel de sílice

gel de sílice frío con ligera opalecencia

El gel de sílice es una forma amorfa y porosa de dióxido de silicio (sílice), que consiste en una estructura tridimensional irregular de átomos de silicio y oxígeno alternados con huecos y poros a escala nanométrica. Los huecos pueden contener agua u otros líquidos, o pueden llenarse con gas o vacío. En este último caso, el material se denomina propiamente xerogel de sílice.

El xerogel de sílice con un tamaño medio de poro de 2,4 nanómetros tiene una gran afinidad por las moléculas de agua y se usa mucho como desecante. Es duro y translúcido, pero considerablemente más blando que el cuarzo o el vidrio de sílice macizo; y permanece duro cuando se satura con agua.

El xerogel de sílice suele comercializarse como gránulos gruesos o perlas, de unos pocos milímetros de diámetro. Algunos granos pueden contener pequeñas cantidades de sustancia indicadora que cambia de color cuando han absorbido algo de agua. Pequeños sobres de papel que contienen gránulos de xerogel de sílice, por lo general con un "no comer" Advertencia, a menudo se incluyen en los paquetes de alimentos secos para absorber la humedad que podría causar el deterioro de los alimentos.

'Mojado' El gel de sílice, tal como se puede preparar recientemente a partir de soluciones de silicato alcalino, puede variar en consistencia desde un gel suave y transparente, similar a la gelatina o el agar, hasta un sólido duro, es decir, un xerogel saturado de agua. A veces se utiliza en procesos de laboratorio, por ejemplo, para suprimir la convección en líquidos o evitar la sedimentación de partículas en suspensión.

Historia

El gel de sílice ya existía en la década de 1640 como una curiosidad científica. Fue utilizado en la Primera Guerra Mundial para la adsorción de vapores y gases en botes de máscaras antigás. La ruta sintética para producir gel de sílice fue patentada en 1918 por Walter A. Patrick, profesor de química en la Universidad Johns Hopkins.

En la Segunda Guerra Mundial, el gel de sílice fue indispensable en el esfuerzo bélico para mantener seca la penicilina, proteger los equipos militares de los daños causados por la humedad, como catalizador de craqueo de fluidos para la producción de gasolina de alto octanaje, producir disulfuro de carbono y como soporte del catalizador. para la fabricación de butadieno a partir de etanol (materia prima para la producción de caucho sintético).

Tipos

Gel de sílice alúmina: amarillo claro, químicamente estable, resistente a las llamas, insoluble excepto en álcali o ácido fluorhídrico. Polaridad superficial, estabilidad térmica, rendimiento mayor que el gel de sílice de poros finos.

Gel de sílice estabilizador: polvo sólido microporoso no cristalino, no tóxico, resistente a las llamas, utilizado en la elaboración de granos para cerveza para mejorar el sabor, la claridad, el color y la espuma, y para eliminar las impurezas que no son microorganismos.

Propiedades

La alta área de superficie específica del gel de sílice (alrededor de 750–800 m²/g (230 000–240 000 sq ft/oz)) le permite adsorber el agua fácilmente, haciéndolo útil como desecante (agente de secado). El gel de sílice a menudo se describe como "absorbente" humedad, que puede ser apropiada cuando se ignora la estructura microscópica del gel, como en los paquetes de gel de sílice u otros productos. Sin embargo, el gel de sílice elimina la humedad por adsorción en la superficie de sus numerosos poros en lugar de absorción en la mayor parte del gel.

El gel de sílice puede adsorber hasta un 37 % de su propio peso en humedad en entornos de alta humedad. Esta humedad puede liberarse al calentarse a 120 °C durante largos períodos de tiempo. Esto lo hace reutilizable varias veces con muy poca o ninguna pérdida de eficiencia.

Regeneración

Una vez saturado con agua, el gel se puede regenerar calentándolo a 120 °C (248 °F) durante 1 o 2 horas. Algunos tipos de gel de sílice se "pop" cuando se expone a suficiente agua. Esto es causado por la rotura de las esferas de sílice al entrar en contacto con el agua.

Preparación

Una solución acuosa de silicato de sodio se acidifica para producir un precipitado gelatinoso que se lava y luego se deshidrata para producir gel de sílice incoloro. Cuando se requiere una indicación visible del contenido de humedad del gel de sílice, el tetraclorocobaltato(II) de amonio (NH₄)₂[CoCl₄] o se añade cloruro de cobalto (II) CoCl₂. Esto hará que el gel sea azul cuando esté seco y rosado cuando esté hidratado. Debido al vínculo entre el cáncer y el cloruro de cobalto, se ha prohibido en Europa su uso en gel de sílice. Un indicador alternativo es el violeta de metilo, que es naranja cuando está seco y verde cuando está hidratado.

Usos

Desecante

gel de sílice, como cuentas empaquetadas en una bolsa permeable, es un desiccant comúnmente utilizado.

En muchos artículos, la humedad fomenta el crecimiento de moho y el deterioro. La condensación también puede dañar otros elementos, como los electrónicos, y puede acelerar la descomposición de los productos químicos, como los que se encuentran en las píldoras de vitaminas. Mediante la inclusión de paquetes de gel de sílice, estos artículos se pueden conservar por más tiempo. Puede ayudar a que los equipos electrónicos se sequen durante los intentos de restaurar elementos que hayan estado expuestos accidentalmente a la humedad.

El gel de sílice también se puede usar para mantener la humedad relativa dentro de una guía de ondas de un sistema de transmisión satelital o de radio de alta frecuencia lo más baja posible (ver también amortiguación de humedad). La acumulación excesiva de humedad dentro de una guía de ondas puede causar arcos dentro de la propia guía de ondas, dañando el amplificador de potencia que lo alimenta. Además, las gotas de agua que se forman y condensan dentro de la guía de ondas cambian la impedancia y la frecuencia características, degradando la señal. Es común que se emplee un pequeño sistema de aire comprimido (similar a una pequeña bomba de acuario doméstica) para hacer circular el aire dentro de la guía de ondas sobre un frasco de gel de sílice.

El gel de sílice puede adsorber alrededor del 40 por ciento de su peso en humedad y puede reducir la humedad relativa en un recipiente cerrado hasta alrededor del 40 por ciento. Una vez saturado, puede expulsar la humedad y reutilizar el gel de sílice calentándolo a más de 300 grados F (150 C).

El gel de sílice también se usa para secar el aire en sistemas industriales de aire comprimido. El aire de la descarga del compresor fluye a través de un lecho de perlas de gel de sílice. El gel de sílice adsorbe la humedad del aire, evitando daños en el punto de uso del aire comprimido debido a la condensación o la humedad. El mismo sistema se utiliza para secar el aire comprimido en las locomotoras de ferrocarril, donde la condensación y el hielo en las tuberías de aire de los frenos pueden provocar fallas en los frenos.

Antes del uso generalizado del aire acondicionado, en los EE. UU. se comercializaban saleros con tapas que contenían perlas de gel de sílice para mantener la sal lo suficientemente seca y evitar que se aglomeraran, reemplazando la práctica de incluir unos pocos granos de arroz en los saleros para lograr el mismo secado.

El gel de sílice se utiliza a veces como herramienta de conservación para controlar la humedad relativa en exposiciones y almacenamiento de museos y bibliotecas.

Otras aplicaciones incluyen tiras de prueba de diagnóstico, dispositivos de inhalación, jeringas, kits de prueba de drogas y kits de saneamiento hospitalario.

Química

Columna de cromatografía

En química, el gel de sílice se utiliza en cromatografía como fase estacionaria. En la cromatografía en columna, la fase estacionaria suele estar compuesta por partículas de gel de sílice de 40 a 63 μm. Se utilizan diferentes tamaños de partículas para diferentes tipos de cromatografía en columna, ya que el tamaño de las partículas está relacionado con el área superficial. Las diferencias en el tamaño de las partículas dictan si el gel de sílice debe usarse para cromatografía ultrarrápida o de gravedad. En esta aplicación, debido a la polaridad del gel de sílice, los componentes no polares tienden a eluirse antes que los más polares, de ahí el nombre de cromatografía de fase normal. Sin embargo, cuando los grupos hidrófobos (como los grupos C₁₈) se unen al gel de sílice, los componentes polares eluyen primero y el método se denomina cromatografía de fase inversa. El gel de sílice también se aplica a láminas de aluminio, vidrio o plástico para la cromatografía en capa fina.

Los grupos hidroxi (OH) en la superficie de la sílice se pueden funcionalizar para producir geles de sílice especiales que exhiben parámetros de fase estacionaria únicos. Estos llamados geles de sílice funcionalizados también se utilizan en síntesis y purificación orgánica como reactivos insolubles y depuradores.

Los grupos quelantes también se han unido covalentemente al gel de sílice. Estos materiales tienen la capacidad de eliminar selectivamente los iones metálicos de las soluciones acuosas. Los grupos quelantes se pueden unir covalentemente a poliaminas que se han injertado en una superficie de gel de sílice para producir un material de mayor integridad mecánica. El gel de sílice también se combina con metales alcalinos para formar un agente reductor M-SG. (Ver química SiGNa)

No se espera que el gel de sílice se biodegrade ni en el agua ni en el suelo.

Arena para gatos

El gel de sílice también se utiliza como arena higiénica para gatos, solo o en combinación con materiales más tradicionales, como las arcillas, incluida la bentonita. No deja huellas y es prácticamente inodoro.

Aditivo alimentario

El gel de sílice, también conocido como dióxido de silicio o sílice amorfa sintética (SAS), está catalogado por la FDA en los Estados Unidos como generalmente reconocido como seguro (GRAS), lo que significa que se puede agregar a los productos alimenticios sin necesidad de aprobación. Se permite agregar sílice a los alimentos en los EE. UU. hasta en un 2 %, según lo permite 21 CFR 172.480. En la UE, puede estar en concentraciones de hasta el 5%. En 2018, una reevaluación realizada por el Panel de la EFSA sobre aditivos alimentarios y fuentes de nutrientes agregados a los alimentos no encontró indicios de toxicidad, incluso en las estimaciones más altas del nivel de exposición.

Los usos enumerados incluyen: agente antiaglomerante, agente antiespumante, estabilizador, adsorbente, portador, agente acondicionador, agente a prueba de frío, auxiliar de filtración, agente emulsionante, agente de control de la viscosidad y agente antisedimentación. La sílice se puede encontrar comúnmente en alimentos que incluyen productos horneados, especias y hierbas, productos lácteos, productos de cacao y más.

Filtración de agua

Dadas las propiedades de adsorción de agua del gel de sílice, se utiliza en filtros de agua domésticos. La estructura de la superficie del gel de sílice permite la adsorción de algunos minerales que se disuelven en el agua, o el "intercambio de iones" como se comercializa. Debido a la falta de regulaciones para los productos de filtración de agua doméstica, ningún estudio valida las afirmaciones del fabricante con respecto a la efectividad del sistema de filtración.

Indicador de humedad (gel de sílice que cambia de color)

Indicando gel de sílice

El gel de sílice se puede dopar con un indicador de humedad que cambia gradualmente de color cuando pasa del estado anhidro (seco) al estado hidratado (húmedo). Los indicadores comunes son el cloruro de cobalto (II) y el violeta de metilo. El cloruro de cobalto (II) es azul oscuro cuando está seco y rosado cuando está húmedo, pero es tóxico y cancerígeno, y la Unión Europea lo reclasificó en julio de 2000 como material tóxico. El violeta de metilo se puede formular para cambiar de naranja a verde o de naranja a incoloro. También es tóxico y potencialmente cancerígeno, pero es lo suficientemente seguro como para tener usos medicinales. Las sales férricas y ferrosas, a veces combinadas con pequeñas cantidades de hidróxido de sodio, brindan una mejor alternativa. En particular, el sulfato férrico y las sales dobles como el sulfato de amonio y hierro (III) (alumbre de hierro), el sulfato de amonio y hierro (II) y el sulfato de potasio y hierro (III) dan como resultado un cambio de color de ámbar/amarillo cuando se seca a incoloro/blanco. cuando está saturado.

Peligros

El gel de sílice no es tóxico, no es inflamable, no es reactivo y es estable con el uso normal. Reaccionará con fluoruro de hidrógeno, flúor, difluoruro de oxígeno, trifluoruro de cloro, ácidos fuertes, bases fuertes y oxidantes. El gel de sílice es irritante para el tracto respiratorio y puede causar irritación del tracto digestivo. El polvo de las perlas puede causar irritación en la piel y los ojos, por lo que se deben tomar precauciones. El polvo de sílice cristalino puede causar silicosis, pero el gel de sílice amorfo sintético está endurecido, por lo que no causa silicosis. Pueden ocurrir peligros adicionales cuando se dopa con un indicador de humedad.