El gel de sílice es una forma amorfa y porosa del 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 estar llenos de 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 utiliza ampliamente como desecante . Es duro y translúcido , pero considerablemente más blando que el vidrio de sílice masivo o el cuarzo , y permanece duro cuando está saturado de agua.
El xerogel de sílice se comercializa generalmente en forma de gránulos gruesos o perlas de unos pocos milímetros de diámetro. Algunos granos pueden contener pequeñas cantidades de una sustancia indicadora que cambia de color cuando ha absorbido algo de agua. En los paquetes de alimentos secos se suelen incluir pequeños sobres de papel que contienen gránulos de xerogel de sílice, normalmente con una advertencia de "no ingerir", para absorber la humedad que podría provocar el deterioro de los alimentos.
El gel de sílice "húmedo", que puede prepararse en el momento a partir de soluciones de silicato alcalino , puede variar en consistencia desde un gel transparente blando , similar a la gelatina o al agar , hasta un sólido duro, es decir, un xerogel empapado 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 ya existía en la década de 1640 como curiosidad científica. [5] Se utilizó en la Primera Guerra Mundial para la adsorción de vapores y gases en los botes de las máscaras de gas . La ruta sintética para producir gel de sílice fue patentada en 1918 por Walter A. Patrick, profesor de química en la Universidad Johns Hopkins .
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 del 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 granos para cerveza para mejorar el sabor, la claridad, el color y la espuma y para eliminar impurezas que no son microorganismos.
La gran superficie específica del gel de sílice (alrededor de 750–800 m2 / g [230.000–240.000 pies cuadrados/oz]) [6] le permite adsorber agua fácilmente, lo que lo hace útil como desecante (agente secante). El gel de sílice se describe a menudo 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 gel de sílice material elimina la humedad por adsorción en la superficie de sus numerosos poros en lugar de por absorción en la masa del gel.
El gel de sílice es capaz de absorber hasta un 37 % de su propio peso en humedad en entornos con alta humedad. [7] Esta humedad puede liberarse al calentarse a 120 °C durante períodos prolongados. Esto hace que se pueda reutilizar varias veces con muy poca o ninguna pérdida de eficiencia.
Una vez saturado de agua, el gel se puede regenerar calentándolo a 120 °C (248 °F) durante 1 a 2 horas. [7] Algunos tipos de gel de sílice "estallan" cuando se exponen a suficiente agua. Esto se debe a 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 agrega tetraclorocobaltato de amonio (II) (NH 4 ) 2 [CoCl 4 ] o cloruro de cobalto (II) CoCl 2. [6] Esto hará que el gel sea azul cuando esté seco y rosa cuando esté hidratado. [6] Debido a un vínculo entre el cloruro de cobalto y el cáncer, se ha prohibido su uso en gel de sílice en Europa. [9] Un indicador alternativo es el violeta de metilo , que es naranja cuando está seco y verde cuando está hidratado.
La humedad puede provocar moho y deterioro en muchos artículos. [10] [11] También puede dañar los dispositivos electrónicos al provocar condensación y acortar la vida útil de los productos químicos, como los de las vitaminas. [ cita requerida ] Los paquetes de gel de sílice ayudan a absorber la humedad y a prolongar la vida útil de estos artículos. [12] [13] [14] Incluso pueden ser útiles para secar dispositivos electrónicos que se han mojado accidentalmente. [15] [16] [17]
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 (véase también amortiguación de la humedad ). [18] La acumulación excesiva de humedad dentro de una guía de ondas puede provocar la formación de arcos eléctricos dentro de la propia guía de ondas, dañando el amplificador de potencia que la alimenta. Además, las gotas de agua que se forman y se condensan dentro de la guía de ondas cambian la impedancia y la frecuencia características, degradando la señal. Es habitual utilizar un pequeño sistema de aire comprimido (similar a una pequeña bomba de acuario doméstico) para hacer circular el aire dentro de la guía de ondas sobre un frasco de gel de sílice.
El gel de sílice también se utiliza para secar el aire en los sistemas de aire comprimido industriales. 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, lo que evita que el aire comprimido sufra daños en el punto de uso 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 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 para evitar que se apelmazara, reemplazando la práctica de incluir algunos 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.
En química, el gel de sílice se utiliza en cromatografía como fase estacionaria . En 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 partícula determinan si el gel de sílice se debe utilizar para cromatografía flash o por 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 C 18 ) están unidos al gel de sílice, los componentes polares eluyen primero y el método se conoce como cromatografía de fase inversa . El gel de sílice también se aplica a láminas de aluminio , vidrio o plástico para cromatografía de capa fina .
Los grupos hidroxi (OH) de la superficie de la sílice se pueden funcionalizar para producir geles de sílice especiales que presentan parámetros de fase estacionaria únicos. Estos geles de sílice denominados 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 iones metálicos de forma selectiva de soluciones acuosas. Los grupos quelantes se pueden unir covalentemente a poliaminas que se han injertado sobre una superficie de gel de sílice, lo que produce un material de mayor integridad mecánica. El gel de sílice también se combina con metales alcalinos para formar un agente reductor M-SG . (Véase química de SiGNa )
No se espera que el gel de sílice se biodegrade ni en el agua ni en el suelo. [19]
El gel de sílice también se utiliza como arena para gatos , [20] solo o en combinación con materiales más tradicionales, como arcillas, incluida la bentonita . No deja rastros 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 los productos alimenticios sin necesidad de aprobación. En los EE. UU., se permite agregar sílice a los alimentos en concentraciones de hasta el 2 %, según lo permitido por la 21 CFR 172.480. En la UE, puede estar en concentraciones de hasta el 5 %. [21] En 2018, una reevaluación realizada por el Panel de la EFSA sobre Aditivos Alimentarios y Fuentes de Nutrientes Añadidos a los Alimentos no encontró indicios de toxicidad ni siquiera en las estimaciones más altas del nivel de exposición. [22]
Los usos enumerados incluyen: agente antiaglomerante , agente antiespumante, estabilizador, adsorbente, portador, agente acondicionador, agente de protección contra el frío, auxiliar de filtración, agente emulsionante, agente de control de viscosidad y agente antisedimentación. [23] La sílice se puede encontrar comúnmente en alimentos que incluyen productos horneados, especias y hierbas, productos lácteos, productos de cacao y más. [22]
Dadas las propiedades de adsorción de agua del gel de sílice, se utiliza en filtros de agua domésticos. [24] La estructura de la superficie del gel de sílice permite la adsorción de algunos minerales que están disueltos en el agua, [25] o "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 eficacia del sistema de filtración. [ cita requerida ]
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 azul oscuro cuando está seco y rosa cuando está húmedo, pero es tóxico y cancerígeno, y fue reclasificado por la Unión Europea en julio de 2000 como material tóxico. [26] El violeta de metilo puede formularse para cambiar de naranja a verde, o de naranja a incoloro. También es tóxico y potencialmente cancerígeno, [27] 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 , proporcionan 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 está seco a incoloro/blanco cuando está saturado. [28] [29]
El gel de sílice no es tóxico, no es inflamable, no es reactivo y es estable con el uso habitual. Reaccionará con fluoruro de hidrógeno , flúor , difluoruro de oxígeno , trifluoruro de cloro , ácidos fuertes, bases fuertes y oxidantes. [19] 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. [30] 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 [ ejemplo necesario ] cuando se dopa con un indicador de humedad.
