RbCl和CsCl水溶液结构的X射线散射及经验势结构精修模拟

采用X射线散射法研究了RbCl和CsCl水溶液的结构,利用基于经验势的结构精修(EPSR)方法获得了溶液中的水合Cl^-、Rb⁺、Cs⁺、离子缔合及本体水的对径向分布函数、配位数分布及空间密度分布(3D结构)等结构信息。在水溶液中,Cl^-具有相对稳定的6水合结构,其水合距离为0.321 nm,外加阳离子对其水合作用的影响不明显。7.3 ± 1.4个水分子与Rb⁺水合,其特征水合距离为0.297 nm,8.4 ± 1.6个水分子与Cs⁺水合其水合距离为0.312 nm。Cs⁺不具有第二水合层,而Rb⁺表现出了更强的水合能力,具有较明显的第二水合层。Cl^-、Rb⁺及Cs⁺常被认为是“结构破坏”型离子。从微观角度来看这种所谓的“结构破坏”主要体现在破坏了本体水分子的第二水合层保持四面体构型的趋势。RbCl和CsCl水溶液中部分存在着Rb-Cl和Cs-Cl直接接触离子对,在1.0 mol·dm^-3的溶液中Rb-Cl及Cs-Cl的特征距离分别为0.324和0.336 nm,溶剂分割离子对的距离则都在0.6 nm左右。相对于Cs⁺,Rb⁺与Cl^-离子之间表现出了更强的缔合能力。     

高斯多峰拟合在径向分布函数中的应用

利用同步辐射X射线散射法测定了盐水摩尔比分别为1:30和1:14的Rb2SO4和Cs2SO4的水溶液结构. 通过对散射数据的处理, 获得了两种溶液的径向分布函数. 采用多峰拟合中的Gaussian法对径向分布函数中金属离子第一水合层附近的叠加峰进行了处理, 多峰拟合结果与实验结果吻合得很好. 通过将拟合数据与已报道的溶液结构和晶体结构对比分析, 确定了每个拟合峰的归属.多峰拟合结果分析表明, Rb+和Cs+第一水合层配位数为6, 为变形的八面体构型. 两种溶液中都存在着金属离子和硫酸根离子接触离子对: Rb—S 和Cs—S 的特征距离分别为0.407和0.427 nm. 研究证实, 多峰拟合有助于阐述溶液中离子的水合结构.     

Sr2+和Ba2+水分子体系结构和结合能的从头算和ABEEM/MM研究

应用从头算方法和ABEEM/MM浮动电荷分子力场, 研究了水合碱土离子团簇Sr²⁺/Ba²⁺(H₂O)_n (n=1-6), 构建了离子-水相互作用的ABEEM/MM势能函数, 获得了水合离子团簇的稳定结构, 计算了结合能. 计算结果表明, ABEEM/MM方法的结果和从头算方法的结果有很好的一致性. 进一步应用ABEEM/MM对Sr²⁺和Ba²⁺水溶液进行了分子动力学模拟. 对Sr²⁺水溶液, 得到的Sr²⁺-水中氧原子的径向分布函数的第一和第二最高峰分别位于0.257和0.464 nm处, 第一和第二水合层的配位水分子数分别为9.2和11.4; 对Ba²⁺水溶液, 得到的Ba²⁺与水中氧原子的径向分布函数的第一和第二最高峰分别位于0.269和0.467 nm处, 第一和第二水合层的配位水分子数分别为9.9和12.4. 这与实验值或其它理论模拟结果有较好的一致性. 对比外层的水分子, 金属离子的极化作用使得溶液中第一水合层中水分子的O―H键长增长, HOH键角减小.     

Li~2SO~4·20H~2O溶液结构的X射线衍射研究

用θ-2θ型X射线衍射仪研究了25℃Li~2SO~4·20H~2O溶液的结构。用经验公式r~x~-~y=0.618λ/sinθ进行溶液衍射曲线I-θ定性结构的分析,而用另一经验公式r~x~-~y=7.766/s计算加权结构函数曲线s·i(s)-s上某些强峰的原子间距。结构模型的精修研究表明,溶液中占优势的物种是四水合锂离子和八水合硫酸根离子。四面体水合锂离子Li-H~2O距离为0.20nm,配位数为4。四个顶点上水分子间距为0.321nm,相互作用数目为6。锂离子与第二配位层的水分子距离大约为0.425nm,配位数为12。水合硫酸根离子S-W距离为0.386nm,配位数为8。用对称模型描述了水合硫酸根离子中氧原子与水分子的四种相互作用,O~s-W(1),O~s-W(2),O~s-W(3)和O~s-W(4)距离分别精修为0.288nm,0.316nm,0.396nm和0.469nm。由于锂离子散射能力低,没有足够的证据表明溶液中存在接触离子对和溶剂共享离子对。     

聚N,N-二乙基丙烯酰胺低聚物水溶液的分子动力学研究

对50个单元构成的聚N,N-二乙基丙烯酰胺(PDEA)低聚物的水溶液体系进行了分子动力学的研究,分别模拟了300 K时的伸展链、310 K时的伸展链以及紧缩链与水构成的体系,对溶液中PDEA周围溶剂水分子的分布情况以及水分子形成氢键的情况进行了统计,结果表明在PDEA周围的水产生了比本体水更有序的结构,形成了更多的氢键,这种有序结构维持到第二水合层甚至更远.发生相分离后,PDEA与水分子形成的氢键大部分未被破坏,水合层中每个水分子形成的氢键数也没有明显变化,但水合层(形成有序结构的水分子)内水分子数目的减少使得总的氢键数目减少,从而造成体系能量增加及熵增加.同时还研究了聚合物及水分子的自扩散系数,表明PDEA影响周围水分子结构的同时,对水的动力学性质也产生了很大影响.     

过饱和五硼酸钠溶液结构

用快速X射线衍射法测量了298和323K时过饱和五硼酸钠溶液的时间空间平均结构,得到了溶液径向分布函数.通过模型设计及理论计算获得了B-B、B-O、O-O、Na-O、Na-B原子对相互作用的理论偏径向分布函数,并讨论了浓度和温度对五硼酸钠溶液结构的影响.在五硼酸钠过饱和溶液中六水合Na+形成八面体结构,其平均配位数随浓度和温度变化不大,作用距离随温度升高及浓度减小而减小;给出了溶液中主要硼酸盐离子B3O3(OH)4-、B5O6(OH)4-和B(OH)3的水合结构,较高温度及较高浓度有利于更高聚合的多聚硼酸根离子的形成;浓度对硼酸盐离子的第一水合层的水合数影响较大,在较浓的五硼酸钠过饱和溶液中,五硼酸根离子的一个端氧单齿配位到Na+上形成离子对,Na-B特征距离为0.328nm.     

温度对液态水结构的影响：中子及X射线散射研究

采用中子散射和X射线散射研究了液态水在298～373 K温度范围内的结构,通过偏径向分布函数(PDF)、配位数分布(CN)、角分布(ADF)及空间密度分布(SDF)等讨论了温度对液态水结构的影响。整体来看,液态水具有"不规则四面体"氢键网络的短程有序结构,该有序度可延续到第三水合层。液态水分子的第一水合层中,围绕中心水分子约有4.8个水分子,然而其中仅有约3.3个水分子与中心水分子通过氢键相键合,约1/3进入到第一水合层的水分子并未与中心水分子直接键合,也正是这些间隙水分子的存在加剧了液态水结构的复杂性。温度对液态水的有序度存在一定的影响,在298～373 K的有限温度变化范围内,温度对液态水中氢键的键长、键角分布及第一水合层SDF的影响不大。从298K升温到373K,O(W)-O(W)距离仅增加0.03?,氢键数目也仅有微小减少,温度对第二和第三水合层的影响则要显著很多。     

盐水溶液中离子与丙氨酸极性基团间的作用对丙氨酸缔合的影响:密度泛函理论与分子动力学模拟

采用密度泛函理论和经典分子动力学模拟研究了盐水溶液中Na⁺、Cu²⁺、Zn²⁺、Cl^-与丙氨酸分子间的相互作用对丙氨酸分子缔合的影响. 密度泛函理论的计算结果显示丙氨酸分子与Na⁺、Cu²⁺、Zn²⁺、Cl^-之间的相互作用可增强其电荷分离. 经典分子动力学模拟结果显示在水溶液中两性离子形式的丙氨酸存在三种缔合结构.盐水溶液中, 阳离子、阴离子与丙氨酸间的相互作用均能一定程度上减弱丙氨酸分子的缔合. 但是阳离子与丙氨酸间的相互作用明显受离子水合作用的影响. 由于Cu²⁺水合作用较强, 虽在气相中Cu²⁺与丙氨酸分子之间相互作用明显比Na⁺强, 但是在水溶液中则情况刚好相反. 在ZnCl₂稀溶液中, Zn²⁺与丙氨酸间的相互作用被其第一水合壳层隔开. 但这种相互作用仍能明显影响丙氨酸分子的缔合, 这与Zn²⁺的水合壳层特征有关. 另外, 离子与丙氨酸之间的相互作用, 不仅会削弱丙氨酸的缔合, 也可导致丙氨酸分子间的缔合结构发生转变. 离子浓度也会影响其与丙氨酸分子间的缔合形式以及丙氨酸的缔合结构.     

铯在叶蜡石孔隙中吸附与扩散的分子动力学研究

本文采用分子动力学方法(molecular dynamics, MD)模拟研究了Cs~+在叶蜡石纳米孔隙中的吸附和扩散行为.径向分布函数和配位数的分析表明,在叶蜡石孔隙中Cs~+的第一水合壳层半径为3.05?,水合数为8.0～8.5.原子密度分布表明Cs~+是以外层表面络合物的形式吸附在叶蜡石基面上. Cs~+的水合结构及其吸附百分比受浓度和温度的影响均较小.随着温度升高, Cs~+热运动加剧导致其扩散系数显著增大.     

离子对水结构的影响

液态水中广泛存在的氢键网络使其作为一种结构性很强的液体在自然界中发挥着独一无二的作用。电解质溶于水中后,以水合离子形式存在,离子附近强大的电场使水合层中的偶极水分子发生重排,这些水分子的结构与本体水的结构存在差异。一个多世纪以来,科学家做了大量关于离子对水结构影响的研究。本文从静态谱学和溶剂动力学两方面综述了离子对水结构影响的研究进展,概括了水中氢键的研究情况,并就离子对水结构影响在生物化学方向的重大意义-Hofmeister效应作了解释。     

从头算量子化学计算方法对高氯酸镁溶液中存在的离子缔合物种及缔合过程的研究

使用了量子化学计算方法在HF/6-31＋G*水平下对高氯酸镁溶液中的高氯酸根水合, 可能存在的离子缔合物种以及离子缔合过程进行了研究. 高氯酸根的第一水合层至少需要6个水分子才能填满, 在水合数6以下时, 每增加一个水分子可以造成v₁-频率1.7 cm^－1的蓝移. 高氯酸根与第一个无水镁离子结合可以造成较大的红移, 与第二个和第三个镁离子结合后, 可使v₁-频率连续的反向蓝移, 这种变化与镁离子的极化作用相关. 高氯酸根与水合镁离子可形成水合的缔合物种, 包括溶剂共享离子对、接触离子对、溶剂共享型三离子团簇和接触型三离子团簇, 其中溶剂共享型离子对和含有两个高氯酸根和一个镁离子的三离子团簇, 可对v₁-频率造成较小的蓝移, 与实验的拉曼光谱符合较好. 高氯酸镁在溶液浓度升高时发生的离子缔合过程被推测为: 自由水合离子→溶剂共享型离子对→含有两个高氯酸根的溶剂共享型三离子团簇→六水合高氯酸镁晶体, 这一过程与硫酸镁有较大不同而与硝酸镁接近.     

中空芳香螺旋的合成及其对碱金属离子的选择性研究

以非常简便的方法合成了一类新型的中空芳香螺旋,通过紫外光谱分析发现,此类中空螺旋结构对碱金属离子具有选择性识别作用,并确定了其选择顺序为Rb~+K~+Cs~+Na~+Li~+.此外,研究了芳香螺旋AH对结合最强的Rb~+离子的荧光滴定分析,进一步证实了这类螺旋中空结构对阳离子的通道内识别作用,以及对碱金属离子具有灵敏的响应性.     

从头算量子化学计算方法对硝酸锂溶液中存在的离子缔合物种及缔合过程的研究

利用量子化学计算方法,在HF/6-31+G*水平下对硝酸锂溶液中可能存在的离子缔合物种,以及当浓度升高时溶液中发生的离子缔合过程进行了研究.硝酸根与水合锂离子可形成溶剂共享离子对、接触离子对、三离子及多离子团簇等离子缔合物种,在所有的缔合物种中,锂离子大都以形成四配位四面体结构为主,只有少数情况下存在能量较高的五配位结构.以上3种水合离子缔合物种中的v1(NO3-)频率与水合硝酸根中的参比值相比,分别发生1.4,-6.9以及大于2.8 cm-1的蓝移,考虑到实验光谱中v1(NO3-)带是持续蓝移的.推测的硝酸锂溶液在浓度升高时发生离子缔合的过程可简略表示为"自由水合离子→溶剂共享型离子对→阳-阴-阳型三离子团簇→链状多离子团簇→网状多离子团簇→晶体".这个过程与在硝酸镁和硝酸钠中的缔合过程是相似的.     

过饱和MgSO4溶液结构的X射线衍射研究

用X射线衍射法研究了过饱和MgSO₄溶液298 K的水合结构.用经验黄金规则r=0.618λ/sin θ推断实验衍射曲线的结构信息,而另一个r=0.618×4π/s阐述结构函数曲线的峰.结构模型的计算表明,过饱和溶液中存在着水共享离子对和接触离子对.接触离子对的Mg-S特征距离为0.328 nm,表明硫酸根离子大多是以单齿形式配位到镁离子.Mg²⁺与硫酸根氧原子Mg-O_S(1)距离为0.205 nm,与Mg-H₂O是等价的;Mg-O_S(2)和Mg-O_S(3)很接近,大约为0.355 nm; Mg-O_S(4)距离为0.456 nm.随着浓度增加,接触离子对明显增加.水共享离子对Mg-S距离被确定在0.492 nm,并同时与接触离子对共存.硫酸根配合物的形成,降低了硫酸根水合结构的对称性.     

高温及超临界条件下 MgCl2与CaCl2水溶液中离子水化与缔合的量子化学计算

对NaCl等碱金属水溶液的研究表明,室温条件下,离子在溶液中以水合形式存在,而在高温及超临界时,阴阳离子将结合成为离子对．采用量子化学计算,研究了MgCl2与CaCl2水溶液中水化与缔合的情况．通过Gaussian98软件包计算了阳离子的水化自由能以及离子对的生成能,从而获得水合离子与离子对的热力学稳定性及其随温度、压力的变化情况．通过比较热力学稳定性,考察了两种溶液中水化与缔合的变化情况．研究结果表明,MgCl2与CaCl2水溶液中离子水化与缔合的变化趋势与碱金属溶液基本一致,但是存在一个过渡区域,该区域内离子对与水合离子共存,因此需要采用不同于碱金属溶液的方法处理MgCl2与CaCl2水溶液．     

利用X射线衍射和拉曼光谱法对KCl和NaCl混合溶液微观结构的研究

利用X射线衍射法和拉曼光谱法系统研究了25 ℃下, 0-26%质量分数浓度范围内KCl和NaCl混合溶液的结构。通过分析X射线衍射法所得的混合溶液的差值结构函数F(Q)以及差值对分布函数G(r)发现,混合溶液组分中的K⁺的水化层半径及其水化数均大于Na⁺,从而揭示出常温下NaCl在水中的溶解度大于KCl的原因。在拉曼光谱的研究中,观察到溶液中水分子的四面体氢键受破坏程度随KCl浓度的增加和NaCl浓度的减少,先增大后减小,并结合X射线衍射法的结果,推断混合溶液中Na⁺对水溶液中氢键结构的破坏程度比K⁺严重,且加入适量的K⁺会使Na⁺由结构缔造者转变为打破结构者,对水溶液结构的破坏增强。     

超临界NaCl水溶液的分子动力学模拟

采用分子动力学模拟的方法对超临界NaCl水溶液的微观结构进行了研究.模拟发现在所研究超临界条件下,密度的变化比温度的变化对超临界NaCl水溶液的微观结构影响更大.温度及密度对Cl－ H2O径向分布函数的影响比对Na＋ H2O径向分布函数的影响要大.超临界条件下,各gNa＋－Cl－在0.261 nm处出现峰值,表明Na＋、Cl－之间发生了离子的缔合.超临界条件下,随温度增加,缔合作用增强；随密度增加,缔合作用减弱.本文工作为建立可适用于超临界条件下的电解质热力学模型提供了依据.     

CuCl2和CuSO4的核磁共振系数、粘度系数及其与水分子结构的关系

测定了较低浓度范围内CuCl2、CuSO4水溶液的粘度系数(B)、核磁共振(NMR)系数(B')及其对水17O NMR化学位移的影响, 进一步计算了Cu2+、Cl-、SO2-40的粘度系数及核磁共振系数, 并与文献值进行了比较. 利用17O NMR化学位移、粘度系数和核磁共振系数与水团簇结构和水分子缔合的关系, 分析了CuCl2、CuSO4对水结构的影响. 结果表明, CuCl2和CuSO4均具有促进水分子缔合, 使水团簇加大的作用, 且CuSO4对水的缔合作用大于CuCl2, Cl-对水缔合的破坏作用大于SO2-40 . Cu2+作为顺磁离子, 在核磁共振弛豫过程中, 具有明显的缩短水中质子的自旋-晶格弛豫时间, 使谱线变宽的作用.     

CuCl2和CuSO4的核磁共振系数、粘度系数及其与水分子结构的关系

测定了较低浓度范围内CuCl2、CuSO4水溶液的粘度系数(B)、核磁共振(NMR)系数(B')及其对水17O NMR化学位移的影响,进一步计算了Cu2+、C1-、SO2-4的粘度系数及核磁共振系数,并与文献值进行了比较.利用17O NMR化学位移、粘度系数和核磁共振系数与水团簇结构和水分子缔合的关系,分析了CuCl2、CuSO4对水结构的影响.结果表明,CuCl2和CuSO4均具有促进水分子缔合,使水团簇加大的作用,且CuSO4对水的缔合作用大于CuCl2,Cl-对水缔合的破坏作用大于SO2-4作为顺磁离子,在核磁共振弛豫过程中,具有明显的缩短水中质子的自旋-晶格弛豫时间,使谱线变宽的作用.     

用从头算法研究高氯酸钠溶液中存在的离子缔合物种及缔合过程

采用量子化学计算方法在HF/6-31+G*水平下对高氯酸钠溶液中可能存在的离子缔合物种及浓度升高时溶液中发生的离子缔合过程进行了研究. 高氯酸根与水合钠离子可形成溶剂共享离子对、接触离子对、三离子及多离子团簇等离子缔合物种, 当体系中水比较充足时, 钠离子可以保持较规整的六配位八面体构型, 而当水分子比较少时, 则生成不规则的五配位构型. 以上水合离子缔合物种中的ν₁-ClO₄^-频率与水合硝酸根中的参比值相比, 分别发生4.7, 8.5及14~17 cm^-1的蓝移, 除以影响因子后, 其与实验结果符合得很好. 通过将计算结果与实验结果进行对比, 高氯酸钠溶液在浓度升高时发生离子缔合的过程可简略表示为“自由水合离子→溶剂共享型离子对→单齿接触离子对→阳-阴-阳型三离子团簇→链状多离子团簇→网状多离子团簇→无定形晶体”. 这个过程与硫酸镁相似, 而与硝酸镁、高氯酸镁和硝酸钠不同.