[공업화학실험]Sol-Gel법에 의한 SiO2 Gel 제조 1부

실험 목적

Sol-Gel법을 이용하여 산 촉매 HCl을 사용하여 가지형의 SiO2를 제조한다.

 

실험 이론 및 원리

1. sol(졸)

액체 중에 콜로이드입자가 분산하고 유동성을 가지고 있는 계이다. 특히 분산매가 물이면 하이드로졸, 유기물이면 오르가노졸이라고 한다. 분산질로서의 콜로이드입자는 액체 또는 고체이며, 금속의 미립자와 같은 소수성 물질에서는 녹말과 같은 친수성 물질도 포함시킨다. 또 분산매가 기체로서(특히 공기) 고체 ·액체의 콜로이드입자가 분산되어 있는 계도 졸에 포함시키는데 이것을 에어로졸이라고 한다. 겔(gel)을 졸로 하는 것을 졸화, 졸을 겔로 하는 것을 겔화라고 한다.

 

2. gel(겔)

콜로이드 용액(졸)이 일정한 농도 이상으로 진해져서 튼튼한 그물조직이 형성되어 굳어진 것을 말한다. 한천, 두부, 실리카겔 등의 히드로겔과 흡착제로 널리 이용되는 규조토, 산성백토와 같은 크세로겔이 있다. 이 현상을 겔화라 한다. 한천·두부 ·실리카겔 등이 그 예이다. 이들은 콜로이드입자의 그물조직 사이에 용매인 물 등이 들어가 굳어버린 것이며, 다시 온도를 올려 주면 분자운동이나 그 밖의 원인에 의하여 조직이 파괴되어 다시 유동성 액체로 된다. 그물조직 사이에 물이 들어 있는 겔을 히드로겔이라고 하며, 겔의 그물조직 사이에서 용매가 제거되고 공기가 들어간 모양의 다공성 겔을 크세로겔이라고 한다. 규조토·산성백토 등이 그 예이다. 이들은 흡착제로서 널리 이용된다.

 

3. 겔(gel)화

졸(sol)이 겔(gel)로 변하는 현상을 말한다. 가수분해 또는 탈수축합에 의해서 얻어진 수십, 수백mm의 colloid입자가 액체 중에 분산된 sol의 화염가수분해에서 얻어진 실리카미립자등을 액체에 분산시킨 sol에서 colloid 입자의 응집, 응결에 의해서 sol의 유동성이 손실되어 다공체의 gel로 되는 반응이다. 무기 알콕사이드들(TMOS, TEOS)이 물과 쉽게 반응하는 특성을 띄어 sol-gel 반응에 가장 많이 사용한다. 

또한 다리결합에 의하여 고분자가 3차원적 그물구조를 취하여 용매에 녹지 않게 되는 현상이다. 즉, 다작용성 단위체의 중합 또는 축중합, 그래프트중합 등의 반응에서는 생성되는 고분자화합물이 다리걸침반응을 일으켜 3차원 그물구조를 가지는 경우가 많다. 이러한 구조를 가진 생성물은 용매에 팽윤할 뿐 녹지는 않는다. 겔화의 일반적 특징으로서는 계의 뚜렷한 탄성 증가, 급격한 점성도 상승 등을 들 수 있다.

TMOS                            TEOS

졸-겔 과정의 일반적인 3가지 반응

4. Silica gel(실리카겔)

성분은 SiO·nHO로 되어 있고, 물분자는 조건에 따라 다르다. 자연계에 존재하는 규산은 대부분 실리카겔로 산출된다. 또, 합성물은 규산나트륨 수용액(물유리)에 염화칼슘을 가하여 생긴 침전을 염산과 물로 세척하여 칼슘이온을 제거한 후, 건조시켜 얻는다. 무수물은 해면상을 나타내며 작은 구멍이 나 있다. 

수증기·암모니아가스 등 많은 물질에 대하여 흡착력이 강하다. 코발트이온을 함유하는 것은 무수물일 때는 파란색이지만, 습기를 흡수하면 담홍색으로 변한다. 담홍색이 되었을 때는 흡습능력이 저하되지만, 가열하면 물 분자가 떨어져 나가 다시 파란색이 되어 흡습능력을 회복한다. 건조제로 사용되며, 그 외에 탈수제·크로마토그래피용 흡착제, 촉매의 운반체 등으로도 사용된다.

 

5. 가수분해

자연계의 화학반응 중에 물 분자가 작용하여 일어나는 분해반응이다. 원래 실리콘 알콕사이드 전구체의 중합과정은 pH에 따라 나누어 설명하지만 이번 실험의 가수분해 과정은 pH에 관계없이 물에 포함된 산소의 실리콘 원자에 대한 친화성 때문에 일어난다.

 

가수분해

실험 기구 및 시약

1. 실험 재료

1) 핫플레이트, 온도 제어기, 삼구 플라스크, dropping funnel, 마그네틱 바, 전자저울

2) 에탄올, 증류수, HCl , Tetraethyl Orthosilicate (TEOS)

종류	분자량(g/㏖)	㏖e (%)	사용몰수	밀도
TEOS	208.3	6.7	0.134	0.93
EtOH	46.07	25.8	0.516	0.79
H2O	18	67.3	1.346	1
HCl	36.5	0.2	0.004	1.20

실험에 대한 시료의 도표

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