Thermogravimetric investigation of the dehydration thermodynamics of amorphous silica after its hydrothermal and thermovaporous treatment

Abstract

After hydrothermal and thermovaporous treatment of chemically pure amorphous aqueous silicic acid in solutions of NaOH and NH₄OH and in water vapour it is possible, using complex thermal analysis, to detect the weight loss and heat effects corresponding to evaporation of various forms of combined water, and to estimate the heats of evaporation of these forms. From the obtained data, the following water forms have been identified: (1) at 200–300° capillary-condensed water formations of the cluster type evaporate;ΔH _deh is about 8 kcal/mole H₂O; (2) at 250–400°, molecules of water linked by hydrogen bonds with hydroxyl groups on the surface and in the volume of the particles;ΔH _deh. is about 5 kcal/mole H₂O; (3) at 350 600°, molecules of water coordinated to silicon atoms in the volume of the particles;ΔH _deh is approximately 1 kcal/mole H₂O. The total evaporation heat changes from 10 kcal/mole H₂O when water of form 1 predominates, to 5 kcal/mole H₂O when forms 2 and 3 predominate.

Résumé

Après traitement hydrothermique et par la vapeur de l'acide silicique aqueux amorphe et pur en solution dans NaOH et NH₄OH ainsi que dans la vapeur d'eau, il est possible, en se servant de l'analyse thermique complexe, de déceler les pertes de poids et les effets thermiques qui correspondent à l'évaporation des formes diverses de l'eau combinée et de trouver les valeurs des chaleurs d'évaporation correspondantes. A partir des données obtenues, on a identifié les formes d'eau suivantes:

• 1. entre 200 et 300° les formations d'eau capillaire condensée du type inclusion s'évaporent,ΔH _deh est voisin de 8 kcal/mol d'H₂O;

• 2. entre 250 et 400° ce sont les molécules d'eau liées aux groupes hydroxyles par liaisons hydrogène qui se volatilisent à la surface et à l'intérieur des particules,ΔH _deh est voisin de 5 kcal/mol d'eau;

• 3. entre 350 et 600° ce sont les molécules d'eau liées par liaisons de coordination aux atomes de silicium qui se vaporisent à l'intérieur des particules,ΔHdeh étant d'I kcal/mol H₂O environ.

La chaleur totale d'évaporation varie de 10 kcal/mol H₂O lors de la prédominance de la première forme d'eau à 5 kcal/mol d'eau lors de la prédominance des formes 2 et 3.

Zusammenfassung

Nach hydrothermaler und Thermodampfbehandlung chemisch reiner, amorpher wässeriger Kieselsäure in NaOH- und NH₄OH-Lösungen sowie in Wasserdampf ist es möglich, durch Einsatz der komplexen Thermoanalyse, den Gewichtsverlust und die der Verdampfung der verschiedenen Formen des gebundenen Wassers entsprechenden Wärmeeffekte nachzuweisen und die Verdampfungswärmen dieser Formen annähernd zu bestimmen.

Aufgrund der erhaltenen Angaben wurden folgende Wasserformen identifiziert:

• (i) bei 200 bis 300° entweicht kapillarkondensiertes Wasser vom Einschlußtyp,ΔH _deH beträgt etwa 8 kcal/mol H₂O.

• (ii) bei 250 bis 400° entweichen die durch Wasserstoffbindungen über Hydroxylgruppen gebundenen Wassermoleküle von der Oberfläche und dem Inneren der Partikel,ΔH _deh beträgt etwa 5 kcal/mol Wasser.

• (iii) bei 350 bis 600° entweichen die durch Koordinationsbindungen an Siliciumdioxid gebundenen Wassermoleküle aus dem Inneren der Teilchen,ΔHdeh beträgt annähernd 1 kcal/ mol H₂O. Die Gesamtverdampfungswärme ändert sich von 10 kcal/mol H₂O bei überwiegender Form 1 von gebundenem Wasser, auf 5 kcal/mol Wasser bei Vorherrschen der Formen 2 und 3.

Резюме

осле гидротермическ ой и паротепловой обработки химически чистой аморфной водной кремневой кис лоты в растворе NaOH и NH₄OH, а т акже в парах воды, представи лось возможным, используя комплексный термиче ский анализ, определить потерю веса и тепловые эффек ты испарения различн ых форм связанной воды и оцен ить теплоту испарения этих форм. Н а основе полученных д анных были идентифицированы сл едующие воды: 1) при 200–300° испаряет ся капиллярная конденсированная во да кластерного типа, ΔH _дeг составляет около 8 ккал/моль Н₂О. 2) пр и 250–400° испаряются молек улы воды, связанные водор одными связями с гидр оксильными группами как на повер хности, так и в объеме частиц, ΔН _дeг — около 5 ккал/мол ь воды. 3) при 350–600° испаряются молекулы воды, связан ные координационным и связями с атомами кремния в объ еме частиц, ΔH _дeг составля ет приблизительно 1 кк ал/моль Н₂О. Общая теплота исп арения изменяется от 10 ккал/мо ль Н₂О при преобладан ии первой формы воды до 5 ккал/мол ъ воды при преобладании 2 и 3 фо рм воды.