مجفف (كيمياء)

Silica gel

مجفف (كيمياء) desiccant أوhumectant في الكيمياء هو1- مادة تمتص الماء؛ 2- مادة تستخدم لتسريع التصلب؛ 3- مـادة تستعمل لتسريع جفاف الدهان، والورنيش، وحبر الطباعة وأشباهها، ويدعى محلولها siccative؛ وهذه المواد هي محور هذا البحث. وتقوم بالتجفيف، عادة، أملاح المعادن الثقيلة (أثقل من الفناديوم) مثل الألمنيوم والكالسيوم والكوبلت واليورانيوم والمنگنيز والرصاص من أجل عدد أكـسدة للمعدن في الماء يـساوي 2 أوأعلى مع حمض عضوي غير مشبع مثل حمض الستياريك (الشمع) أوالأوليك (الزيت) أوالبالميتيك (النخل) أواللوريل. ويُطلق على الملح من هذا النمط اسم «صابون المعدن الثقيل» heavy-metal soap واختصاراً «الصابون المعدني» metallic soap. تُضاف هذه المركبات إلى الطلاء الجفوف بالهواء مثل الدهانات الزيتية بهدف تحفيز تفاعلات التشابك المؤكسِد oxidative cross-linking reactions لتسريع عملية جفافها وذلك بوجود أكسجين الهواء.

التاريخ

يعود استخدام المجففات إلى الحضارة الفرعونية في مصر أي منذ نحو4000 سنة؛ إذ استخدمت مركّبات الرصاص والحديد والمنگنيز مع الحموض الدسمة الموجودة في الزيوت لتشكيل المركبات الصابونية. وقد سجل - عام 1920- تحضير نفتينات المعادن metal naphthenes تطوراً كبيراً في تصنيع هذه الفئة من المركبات واستخداماتها، والنفتين هوفحم هدروجيني حلقيقد يكون فيه ثلاث ذرات كربون على الأقل مكوِّنة حلقة وكل منها مرتبط بذرتي هدروجين أوبزمرتي ألكيل. وتلتها تطورات في المواد الأولية المستخدمة لتصنيع هذه المركبات بإدخال الحموض أحادية الكربوكسيل والحاوية على ثماني ذرات كربون مثل 2-إيتيل حمض الهكسانوئيك (1) ونيوحمض الديكانوئيك (2).

الوصف

تكون المجففات غالباً ذوّابة في المحّلات الهدروكربونية مثل الروح الأبيض (النفتا) والمحلات الأليفاتية. تضاف المجفِّفات إلى الطلاء وتتوزع فيه توزعاً متجانساً حيث تؤثر بتراكيزها الحفزية تأثيراً كبيراً في أدائه. تتدرج هذه المركبات الصابونية المعدنية في قوامها من الهلامي إلى السائل وأخيراً الصلب في درجات النقاوة المرتفعة، كما تتدرج في ألوانها من عديم اللون حتى البني المائل إلى الحمرة ويُعزى هذا التدرج في اللون إلى جميع من باقيات الحمض العضوي والمعدن المستخدم.

التحضير

تُحضر هذه المركبات صناعياً من المركبات الصابونية القلوية بترسيبها وذلك بتفاعلها مع أملاح المعادن الموافقة، أما النقية منها فتحضر بتشكيل الملح مباشرة من الحموض بالتـسخين مع هـدروكسيدات هذه المعادن أوبتصبين الدسم بأكاسيد هذه المعادن أوماءاتها. يذكر من أهمها المشتقة من الحموض الدسمة مثل حمض البالمتيك والستياريك والأولئيك.

التطبيقات

تُستخدم هذه المركبات في تصنيع الورنيش (طلاء لا لون له يحوي زيوتاً جفوفة) وهومكون من محاليل لهذه المجففات في زيت الكتان غالباً وأحياناً في زيت الخشب أوزيت القنب أوزيت الخشخاش. يُحمل الورنيش على السطح مشكلاً طبقة رقيقة تجف نتيجة تفاعل التأكسد والبلمرة المرافقة متحولة إلى رقاقة (فيلم) مرنة.

يصنع الورنيش بإضافة مجفف من أكسيد معدن حتى نسبة 2% مع حمض الأولئيك بنسبة 5% إلى زيت الكتان عند درجة الحرارة 120 ْ – 160 ْس، ويستمر التسخين حتى تمام انحلال المجفف في الزيت. تؤدي الإضافة الزائدة من المجفف إلى خفض مدة التخزين لهذا الورنيش.

السمية

الكيمياء

كفاءة الأداء

مؤشرات التشبع الملونة

Indicating Silica Gel

تجفيف المذيبات

Toluene is refluxed with sodium and benzophenone to produce dry, oxygen-free toluene. The toluene is dry and oxygen free when the intense blue coloration from the benzophenone ketyl radical is observed.

أنواع المجففات

تُصنَّف المجففات غالباً في مجموعتين: المجففات الأولية primary driers والثانوية secondary driers.

المجففات الأولية تعزز عملية الجفاف وتسرعها وتدعى بالمجففات الحفزية catalytic driers، وهي تحوي معادن ذات خواص حفزية مثل الحديد والكوبلت والمنگنيز تعزز استهلاك الأكسجين وتشكيل البيروكسيد وتفككه عند درجات الحرارة المحيطة. تتضمن هذه العملية جملة من تفاعلات أكسدة جذرية معقدة الآلية تؤدي إلى تشكل ارتباطات متشابكة بين السلاسل البولميرية polymer-polymer cross-links. وتخضع المركبات الصابونية المعدنية الموجودة إلى عدة تفاعلات أكسدة وإرجاع.

أما المجففات الثانوية التي تُدعى بالمساعدة auxiliary driers فتوجد المعادن فيها بدرجة أكسدة واحدة وتكون غير قادرة على تحفيز تفاعلات الأكسدة، ولكنها تعزز فعالية المجففات الأولية في عملية التجفيف من خلال تفاعلها مع مجموعة الهدروكسيل والكربوكسيل في الربيطة binder معضلة روابط أكسجين - معدن - أكسجين، وتعدّ مركبات الكالسيوم والبوتاسيوم من أبرز المجففات الثانوية. والربيطة هي المادة في الدهان التي تكوِّن طبقة رقيقة (فيلماً) وهي عادة زيت جفوف أومادة بولميرية. يستخدم لهذا الغرض زيت بذور الكتان الغني بحمض اللينولينيك، وهوحمض دسم فيه ثلاث روابط مضاعفة أوإستر هذا الحمض يحوي على أربع ذرات هدروجين في المواقع الألّيلية c11—C—H وc14—C—H، وهي المرتبطة بذرات الكربون المجاورة للرابطة الثنائية مما يجعله ركيزة سهلة التأكسد حيث يحدث تفاعل الأكسدة في المواقع الألّيلية بسحب الهدروجين وتشكل الجذور الموافقة، ونتيجة التماكب الحاصل يحصل عدة مماكبات لمركبات ال[[هدروبيروكسيد أكثرها ثباتاً في المسقط c9—C وc16—C. تتفكك مركبات الهدروبيروكسيد الناتجة معضلة جذور ألكيل R* وألكيل أكسي RO* و[[ألكيل بيروكسي ROO*، تتحد هذه الجذور الناتجة فيما بينها معضلة ارتباطات معترضة على الشكل R—R وR—O—R وR—O—O—R. تتضح آلية التفاعل حيث تشير p إلى جذور حرة متشكلة من تفكك مركبات الهدروبيروكسيد.

يمكن للجذور المتشكلة حتى تجري تفاعل إضافة إلى الثنائية المترافقة مؤدية إلى حدوث إشباع من دون الحاجة إلى عملية سحب هدروجين؛ وتشكّل مجموعة من الجذور الحرة تتفاعل فيما بينها وفق تفاعل عدم تناسب، وهي تفاعلات تتم بين جذرين متساويين وتعطي شكلاً غير متساوي وغير متناسب، جزيء مشبع وجزيء غير مشبع.

يمكن تعزيز تفاعلات أكسدة الزيوت التي تؤدي إلى الجفاف بإضافة محسسات ضوئية sensitizers مثل أزرق المتيلين الذي يمتص الضوء في المجال المرئي، وتمنح هذه المحسسات الطاقة للأكسجين وتحوله من الشكل الطاقي الثلاثي triplet الأرضي c3O2 إلى الشكل المفرد singlet المهيج تo1O2 الذي يتفاعل مع الرابطة الثنائية وفق تفاعل إذا ene ويتكوَّن الهدروبيروكسيد ROOH. تتفاعل الروابط الثنائية مع الأكسجين معضلة بنى حلقية وفق تفاعلات تحلق - إضافة 1،2 وتحلق - إضافة 1.4 .

تكون تفاعلات أكسدة الحموض الدسمة غير المشبعة من دون مجففات عند الدرجة 25 ْس بطيئة. فطلاء من زيت الكتان على سبيل المثال يحتاج إلى 120 ساعة لكي يجف مشكلاً طبقة رقيقة، في حين يحدث الجفاف بسرعة أكبر نحو2.25ساعة طالما الطلاء بزيت الكتان المضاف له كربوكسيلات الكوبلت. وتؤدي مركبات الكوبلت دوراً فعالاً في حدوث تفاعل الأكسدة بسرعة عند درجة حرارة الغرفة، فهي إذن حفازات أكسدة مهمة تعزز عملية استهلاك الأكسجين وتشكل الهدروبيروكسيد وتفككه لتشكيل الجذور الفعالة التي تحفز تفاعل الأكسدة. وتقوم العناصر متعددة التكافؤ مثل الكوبلت بتقديم الأكسجين لدخولها في تفاعلات أكسدة وإرجاع ممثلة بتفكيك الهدروبيروكسيد إلى الجذور RO* وROO*، ولهذا الغرض تضاف هذه المركبات إلى الزيوت الألكيدية.

250px

انظر ايضاً

Humidity buffering
Humidity indicator card
Hygroscopy
Solar air conditioning
Sorbent
Zeolites

المصادر

قراءات أخرى

Chai, Christina Li Lin; Armarego, W. L. F. (2003). Purification of laboratory chemicals. Oxford: Butterworth-Heinemann. ISBN .CS1 maint: multiple names: authors list (link)
Lavan, Z.; Jean-Baptiste Monnier, Worek, W. M. (1982). "Second Law Analysis of Desiccant Cooling Systems". Journal of Solar Energy Engineering. 104 (3): 229–236. doi:10.1115/1.3266307.CS1 maint: multiple names: authors list (link)
S. Sadik; J. W. White (1982). "True potato seed drying over rice". Potato Research. 25 (3): 269. doi:10.1007/BF02357312.