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 de poro promedio de 2,4 nanómetros tiene una fuerte afinidad por las moléculas de agua y se usa ampliamente como desecante . Es duro y translúcido , pero considerablemente más blando que el vidrio de sílice macizo o el cuarzo ; y permanece duro cuando se satura con agua.
El xerogel de sílice suele comercializarse en forma de gránulos o perlas gruesas, de unos pocos milímetros de diámetro. Algunos granos pueden contener pequeñas cantidades de una sustancia indicadora que cambia de color cuando han absorbido un poco de agua. En los paquetes de alimentos secos a menudo se incluyen pequeños sobres de papel que contienen gránulos de xerogel de sílice, generalmente con una advertencia de "no comer", para absorber la humedad que podría deteriorar los alimentos.
El gel de sílice "húmedo", 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 anegado en agua. A veces se utiliza en procesos de laboratorio, por ejemplo, para suprimir la convección en líquidos o evitar la sedimentación de partículas suspendidas. [4]
El gel de sílice existía ya en la década de 1640 como curiosidad científica. [5] Se utilizó 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 de 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 el equipo militar del daño por humedad, [ cita requerida ] como catalizador de craqueo fluido para la producción de gasolina de alto octanaje , producir disulfuro de carbono y como catalizador. apoyo a la fabricación de butadieno a partir de etanol (materia prima para la producción de caucho sintético ).
Gel de sílice y alúmina: amarillo claro, químicamente estable, resistente al fuego, insoluble excepto en álcali o ácido fluorhídrico. Polaridad superficial, estabilidad térmica, rendimiento superior al gel de sílice de poros finos.
Gel de sílice estabilizador: polvo sólido microporoso no cristalino, no tóxico, resistente al fuego, utilizado en la elaboración de cerveza a partir de granos para mejorar el sabor, la claridad, el color y la espuma y para eliminar impurezas que no son microorganismos.
La alta superficie específica del gel de sílice (alrededor de 750 a 800 m 2 /g (230 000 a 240 000 pies cuadrados/oz)) [6] le permite absorber agua fácilmente, lo que lo hace útil como desecante (agente de secado). El gel de sílice a menudo se describe como "absorbente" de humedad, lo que puede ser apropiado cuando se ignora la estructura microscópica del gel, como en los paquetes de gel de sílice u otros productos. Sin embargo, el material de gel de sílice elimina la humedad por adsorción en la superficie de sus numerosos poros en lugar de por absorción en la mayor parte del gel.
El gel de sílice es capaz de absorber hasta el 37% de su propio peso en humedad en ambientes con alta humedad. [7] Esta humedad puede liberarse al calentarse a 120 °C durante períodos prolongados de tiempo. Esto lo hace reutilizable varias veces con muy poca o ninguna pérdida de eficiencia.
Una vez saturado con agua, el gel se puede regenerar calentándolo a 120 °C (248 °F) durante 1 a 2 horas. [7] Algunos tipos de gel de sílice "explotan" cuando se exponen a suficiente agua. Esto se produce por la rotura de las esferas de sílice al entrar en contacto con el agua. [8]
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. [6] Cuando se requiere una indicación visible del contenido de humedad del gel de sílice, se añade tetraclorocobaltato(II) (NH 4 ) 2 [CoCl 4 ] de amonio o cloruro de cobalto(II) CoCl 2 . [6] Esto hará que el gel sea azul cuando esté seco y rosado cuando esté hidratado. [6] Debido a un vínculo entre el cloruro de cobalto y el cáncer, en Europa se ha prohibido su uso en gel de sílice. [9] Un indicador alternativo es el violeta de metilo , que es naranja cuando está seco y verde cuando está hidratado.
En muchos artículos, la humedad favorece el crecimiento de moho y su deterioro. La condensación también puede dañar otros elementos, como los electrónicos, y acelerar la descomposición de sustancias químicas, como las que se encuentran en las pastillas de vitaminas. Mediante la inclusión de paquetes de gel de sílice, estos artículos se pueden conservar por más tiempo. Puede ayudar a secar los equipos electrónicos durante los intentos de restaurar artículos que han estado expuestos a la humedad accidentalmente.
El gel de sílice también se puede utilizar para mantener la humedad relativa dentro de una guía de ondas de un sistema de transmisión por satélite o radio de alta frecuencia lo más baja posible (consulte también amortiguación de humedad ). La acumulación excesiva de humedad dentro de una guía de ondas puede provocar la formación de arcos dentro de la propia guía de ondas, dañando el amplificador de potencia que la alimenta. Además, las gotas de agua que se forman y condensan dentro de la guía de ondas cambian la impedancia y 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 absorber alrededor del 40 por ciento de su peso en humedad. Una vez saturado, puedes eliminar la humedad y reutilizar el gel de sílice calentándolo a más de 300 grados F (150 C).
El gel de sílice también se utiliza 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 absorbe 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 los tubos de aire de los frenos pueden provocar fallos 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 como para evitar que se formaran grumos, reemplazando la práctica de incluir algunos granos de arroz en los saleros para efectuar 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 reactivas de diagnóstico, dispositivos de inhalación, jeringas , kits de prueba de drogas y kits de saneamiento hospitalario.
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 partícula está relacionado con el área de superficie. Las diferencias en el tamaño de las partículas dictan si el gel de sílice debe usarse para cromatografía flash o por gravedad. En esta aplicación, debido a la polaridad del gel de sílice, los componentes no polares tienden a eluir antes que los más polares, de ahí el nombre de cromatografía en fase normal . Sin embargo, cuando se unen grupos hidrófobos (tales como grupos C18 ) 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 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 eliminadores .
También se han unido covalentemente grupos quelantes al gel de sílice. Estos materiales tienen la capacidad de eliminar selectivamente iones metálicos de soluciones acuosas. Los grupos quelantes pueden unirse covalentemente a poliaminas que se han injertado en una superficie de gel de sílice produciendo 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 de SiGNa )
No se espera que el gel de sílice se biodegrade ni en el agua ni en el suelo. [10]
El gel de sílice también se utiliza como arena para gatos , [11] solo o en combinación con materiales más tradicionales, como arcillas, incluida la bentonita . No rastrea y es prácticamente inodoro.
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 productos alimenticios sin necesidad de aprobación. En los EE. UU. se permite agregar sílice a los alimentos hasta en un 2 % según lo permitido en 21 CFR 172.480. En la UE, puede estar en concentraciones de hasta el 5%. [12] 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. [13]
Los usos enumerados incluyen: agente antiaglomerante , agente antiespumante, estabilizador, adsorbente, portador, agente acondicionador, agente a prueba de frío, coadyuvante de filtración, agente emulsionante, agente de control de la viscosidad y agente antisedimentación. [14] La sílice se puede encontrar comúnmente en alimentos que incluyen productos horneados, especias y hierbas, productos lácteos, productos de cacao y más. [13]
Dadas las propiedades de adsorción de agua del gel de sílice, se utiliza en filtros de agua domésticos. [15] La estructura superficial del gel de sílice permite la adsorción de algunos minerales que se disuelven en el agua, [16] o "intercambio iónico" como se comercializa. Debido a la falta de regulaciones para los productos de filtración de agua doméstica, ningún estudio valida las afirmaciones del fabricante sobre la efectividad del sistema de filtración.
El gel de sílice puede estar dopado 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 de color azul intenso cuando está seco y rosado cuando está húmedo, pero es tóxico y cancerígeno y fue reclasificado por la Unión Europea en julio de 2000 como material tóxico. [17] El violeta de metilo puede formularse para cambiar de naranja a verde o de naranja a incoloro. También es tóxico y potencialmente cancerígeno, [18] 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 , constituyen una mejor alternativa. En particular, el sulfato férrico y las sales dobles como el sulfato de hierro y amonio (III) (alumbre de hierro), el sulfato de hierro y amonio (II) y el sulfato de hierro y potasio (III) dan como resultado un cambio de color de ámbar/amarillo cuando están secos a incoloro/blanco. cuando está saturado. [19] [20]
El gel de sílice no es tóxico, no es inflamable, no reacciona 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. [10] El gel de sílice irrita 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. [21] El polvo de sílice cristalina 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.
