## Water zuiveren met aerogel

Vwo examen scheikunde pilot 2014 1e tijdvak

Aerogels zijn materialen met een extreem lage dichtheid. Aerogels hebben een zeer groot inwendig oppervlak, wat ze zeer geschikt maakt als adsorptiemateriaal bij de zuivering van water.
De eerste aerogel werd gemaakt op basis van Si(OH)4. Deze stof werd gemaakt door natriumsilicaat (Na2SiO3) aan zoutzuur toe te voegen. Hierbij reageren de silicaationen met H3O+ tot de moleculaire stof Si(OH)4 en water.

De vorming van een aerogel uit Si(OH)4 vindt plaats in een organisch oplosmiddel. In het begin van het proces reageren moleculen Si(OH)4 met elkaar, waarbij Si–O–Si bindingen worden gevormd onder afsplitsing van water. Hierbij worden in het begin alleen nanodeeltjes gevormd.
Vervolgens reageren nanodeeltjes met elkaar via enkele OH groepen aan het oppervlak van de nanodeeltjes. Hierdoor ontstaat een netwerk van aan elkaar verbonden bolletjes. Door verdamping van het oplosmiddel wordt de aerogel verkregen. In het netwerk zijn moleculen uit lucht aanwezig. Hieronder is een schematische weergave van een aerogel en een nanodeeltje gegeven.

Door andere beginstoffen te kiezen, kan men de grootte van de nanodeeltjes beïnvloeden. Als beginstoffen worden dan Si(OH)4 en RSi(OH)3 gebruikt. Een belangrijke voorwaarde voor de keuze van de groep R is dat deze niet met andere groepen R of met OH groepen kan reageren. Alleen dan zullen deze groepen aan het oppervlak van de nanodeeltjes terecht komen. Als voor de molverhouding RSi(OH)3 : Si(OH)4 een grotere waarde wordt gekozen, worden kleinere nanodeeltjes gevormd.

De verhoudingsformule voor een dergelijke aerogel kan worden weergegeven als RxSiyOz. De waarden van x, y en z in deze verhoudingsformule hangen af van de molverhouding waarin Si(OH)4 en RSi(OH)3 worden gemengd.

Wanneer voor de groep R propylamine ~C3H6–NH2 wordt genomen, is de aerogel geschikt om metaalionen te binden. Bij aerogels met propylaminegroepen aan het oppervlak hangt de hoeveelheid metaalionen die gebonden wordt, sterk af van de zuurgraad.

De mercaptopropylgroep (~C3H6–SH) is ook geschikt om metaalionen te binden. In een experiment is gemeten hoeveel procent van de aanwezige metaalionen uit een oplossing werd gebonden aan deze aerogel.
Bij dit experiment werden oplossingen gebruikt die 50 mg L–1 Cu2+ of 50 mg L–1 Hg2+ bevatten.
Uit de resultaten van dit experiment bleek dat voor het volledig uit de oplossing verwijderen van deze ionen per mL oplossing ongeveer drie keer zoveel aerogel nodig is voor het verwijderen van de Cu2+ ionen als voor de Hg2+ ionen.

Voor het verwijderen van de kwikionen uit 1,0 mL oplossing was in het experiment 0,60 mg aerogel nodig.
De verhoudingsformule van de gebruikte aerogel is (C3H7S)Si4O7.
Eén kwik(II)ion bindt aan twee mercaptopropylgroepen.