Silica-Gel

Silicagel, auch Kieselgel oder Kieselsäuregel, ist eine amorphe Kieselsäure von gelartiger, gummiartiger bis fester Konsistenz und ist farblos. Es besitzt eine große innere Oberfläche. Es ist stark hygroskopisch (wasseranziehend) und eignet sich als Geliermittel, Filter-, Adsorptionsmaterial und Trockenmittel. Man rechnet es zu den Xerogelen.

Verwendung

Silicagel mit orangefarbenem Indikator im trockenen Zustand (beladen ist es farblos)

weißes, großporiges Silicagel

Exsikkator mit Silicagel

Trockenmittel

Wird Kieselgel als Trocknungsmittel verwendet, so wird es oft mit einem Wasser-Indikator versetzt; dazu wird meist blaues Cobalt(II)-chlorid (CoCl₂) verwendet. Wenn das Silicagel Wasser gebunden hat, verfärbt sich der Indikator von blau nach blassrosa bis weißlich; dabei entsteht der Komplex Hexaaquakobalt(II)chlorid ([Co(H₂O)₆]Cl₂). Das Silicagel verliert dabei seine Fähigkeit, Feuchtigkeit aufzunehmen, kann jedoch regeneriert werden. Silicagel wird zum Trocknen von feuchten chemischen Verbindungen verwendet.

Mit Silicagel gefüllte kleine Papiertütchen oder Kissen (Antikondensationsbeutel) liegen vielen feuchtigkeitsempfindlichen Warensendungen bei (z. B. elektronischen Geräten, Lederwaren und Nori-Algen für die japanische Küche), um deren Inhalt beim Versand trocken zu halten und die Bildung von Kondensations-Feuchtigkeit bei der Verbringung von warmen in kalte Umgebungen zu verhindern. Auch in feuchtigkeitsempfindlichen elektronischen Gerätschaften sind sie oft zu finden; beispielsweise werden Tütchen mit Silicagel in der Unterwasserfotografie genutzt, um das Innere der Kamera trockenzuhalten.

Silicagel kann auch zum Trocknen und Trockenhalten von Saatgut verwendet werden.

Während Silicagel selbst gesundheitlich unbedenklich ist, wird Blaugel mit Cobalt(II)chlorid blau gefärbt und ist seit 2000 als krebserzeugend in der Kategorie 2 eingestuft (d. h. im Tierversuch mit hohen Dosen eine krebserzeugende Wirkung nachgewiesen). Es ist daher mit dem R-Satz 49 (kann Krebs erzeugen beim Einatmen) und dem Symbol giftig zu versehen. Gefährlich sind die Stäube, die z. B. beim Umfüllen auftreten. Als Alternative zu Blaugel wird Orangegel (siehe Foto) eingesetzt; das Silicagel wird hier mit einem kobaltfreien Indikator eingefärbt.

Die maximale Wasseraufnahme des "normalen" Silicagels beträgt etwa ein Drittel des eigenen Gewichts. Es gibt auch großporiges Silicagel (Foto), das bis zu zwei Drittel Wasser adsorbieren kann. Es liegt dabei immer ein Gleichgewicht von adsorbiertem Wasser und der Luftfeuchtigkeit vor. D. h. die maximale Wasseraufnahme gilt für wasserdampfgesättigte Luft. Bei normaler Luftfeuchtigkeit (ca. 40 - 60 % rF) wird diese Kapazität nicht erreicht. Bei sehr niedriger Luftfeuchte gibt das Silicagel das Wasser auch wieder ab (z. B. in der Hitze, siehe unten "Regenerierung").

Regenerierung des Trockenmittels

Erschöpftes Silicagel mit blauem Indikator beim Trocknen

Regeneriertes Blaugel nach ca. 15 Minuten Trocknung im Backofen bei 120 °C

Silicagel bleibt auch im erschöpften Zustand rieselfähig und formbeständig. Es kann bei Bedarf, aufgebracht auf einem metallischem Siebgitter oder Backblech, beispielsweise in einem Backofen bei etwa 120 bis 150°C wieder regeneriert werden. Befindet sich das Silicagel in permeablen Kunststoffverpackungen, beispielsweise aus Tyvek, darf die Trocknung bei maximal ca. 80 °C erfolgen. Ein Mikrowellenherd ist zum Trocknen grundsätzlich nicht geeignet.

Alkoholtest

In Alkoholteströhrchen wird das Silicagel mit Chromschwefelsäure getränkt, der vorbeiziehende Alkoholdampf reduziert das Dichromat zu grünen Chromverbindungen. Anhand der Stärke und Ausdehnung der Verfärbung lässt sich der Grad der Alkoholisierung abschätzen.

Wärmespeicher

Eine weitere Anwendung ist die Verwendung als Thermochemischer Wärmespeicher. Silicagel hat die Eigenschaft bei der Adsorption, der Aufnahme von Wasser, Wärme abzugeben und bei der Desorption, der Trocknung, Wärme aufzunehmen. Dieser Prozess funktioniert als chemische Wärmepumpe und kann beliebig oft wiederholt werden. Die innere Oberfläche von Silicagel beträgt etwa 600 m²/g, pro Siliziumdioxidmolekül können bis zu 300 Wassermoleküle als Kristallwasser gebunden werden.

Stationäre Phase in der Chromatographie

Kieselgel ist die am häufigsten verwendete stationäre Phase in der Dünnschichtchromatographie (DC) und Säulenchromatographie. Für die DC wird das Silicagel auf geeignete Trägermaterialien aufgebracht (z. B. Glas, Aluminium). Oft wird es zusätzlich mit Zusatzstoffen (z. B. Fluoreszenzindikatoren) versetzt.

Abkürzungen für bestimmte Zusätze:

• Fluoreszenz: F₃₆₆ für langwelliges und F₂₅₄ für kurzwelliges Licht
• Gips: G
• ohne Zusätze: H
• für präparative Schichtchromatographie: P
• hochgereinigt: R

Die freien -OH Gruppen an der Oberfläche des Kieselgels machen es polar und binden bevorzugt polare Moleküle mithilfe von Wasserstoffbrückenbindungen. Sehr stark polare Substanzen lassen sich nicht wieder eluieren. Hier bietet sich die Verwendung von "Reversed-Phase-Kieselgel" an. "Reversed-Phase" bedeutet, dass die Oberfläche z. B. mit C2, C4, C8 oder C18-Ketten modifiziert wurde und somit unpolar ist.

Trockenbeutel mit orangefarbenem Silicagel

Gel-Nährböden

In der Biologie, besonders in der Mikrobiologie und Phytologie, wird Kieselgel neben Agargel oder Gelatine als Geliermittel für Nährböden verwendet.

Gewichtsausgleich in Luftschiffen

In den 1930er Jahren gab es Versuche bei Zeppelin, Silicagel zum Auftriebsausgleich zu verwenden. Die aufgenommene Feuchtigkeit sollte den Gewichtsverlust des verbrauchten Kraftstoffs ausgleichen.

Literatur

Ralph K. Iler: The Chemistry of Silica. Solubility, Polymerization, Colloid and Surface Properties, and Biochemistry. John Wiley & Sons, New York, Chicester, Brisbane, Toronto, Singapore 1979, ISBN 0-471-02404-X