氯化钾水溶液微观结构的分子动力学模拟研究

氯化钾水溶液不同于氯化钠的,其在低温下只能形成无水盐和冰.现有研究表明在氯化钠水溶液中不仅存在着水分子连续分布的区域与离子团簇,而且这二者的物质组成也与该溶液所形成晶体的分别对应.为了探寻其他溶液中是否存在此类对应关系,并考察溶液的微观结构,本文采用分子动力学方法对氯化钾水溶液进行了研究,表明了该溶液的一些性质.氯化钾水溶液中K+-K+和Cl--Cl-径向分布函数的特征具有一致性,峰的最大值所对应的位置都分别相同,明显不同于氯化钠水溶液的.系列时刻下瞬态图像内O到其最近离子距离中最大值的统计结果表明氯化钾水溶液中存在着一定大小的水分子连续分布的区域,其平均尺寸至少为2.26 nm;瞬态图像中K+与其最近邻Cl-之间的距离主要分布在0.28 nm~0.38 nm之间,占比约为97.4%;溶液中存在着较大和较小两类离子团簇,较大团簇的平均尺寸为1.73nm,平均离子数是25.0,其内部的离子与周围离子之间具有与氯化钾晶体类似的结构;这些结果表明氯化钾水溶液中也具有微观不均匀性和自聚集效应.将离子间径向分布函数上各峰最大值所对应距离之间的关系与氯化钾晶体中各离子之间距离的几何关系进行对比,并结合离子瞬态图像,给出了离子径向分布函数上各峰的来源,但明显不同于氯化钠水溶液中的情况.另外,通过对比与分析解释了氯化钾水溶液中离子对和团簇形成的原因,并表明原子和离子间相互作用对溶液的微观不均匀具有重要影响.结果还表明氯化钾水溶液中水分子连续分布区域以及离子团簇的物质组成分别与其所形成的冰和氯化钾晶体的组成具有一致性,而且离子团簇的结构和氯化钾晶体的也类似.再结合氯化钠水溶液的结果,表明溶液中存在着与其所能够形成晶体组成类似的对应单元,这为理解溶液中晶体的形成提供了启发.

采用分子动力学方法研究氯化钠水溶液的微观结构

溶液的微观结构对溶液的宏观性质具有决定性影响,团簇的存在和溶液不均性的认知是该领域研究的重要进展之一,也是关注的热点.为了考察溶液的微观结构,本文采用分子动力学方法对浓度适中的氯化钠水溶液进行了模拟,获得了各原子(离子)间的径向分布函数和溶液的瞬态图像.通过对比分析Na^(+)-Cl^(-)和Cl^(-)-Na^(+)的径向分布函数,并结合已有研究结果,表明该径向分布函数上第三峰也来源于离子对,发现氯化钠水溶液存在着第三种离子对;上述径向分布函数上的三个峰分别与直接接触离子对、部分间隔离子对和完全间隔离子对相对应,并给出了这三种离子对的瞬态图像.三个时刻下系统瞬态图像的分析结果表明,溶液中存在水分子连续分布的区域和由离子与水分子共同构成的离子团簇.各瞬态图像中水分子连续分布的最大区域的平均尺寸至少为1.43 nm,溶液中部分间隔离子对的比例最大,约为0.68.在同时考虑直接接触离子对和部分间隔离子对时,三个时刻中最大团簇尺度的平均值为1.44 nm,该值约为部分间隔离子对最概然尺寸的3倍;团簇尺寸随团簇中离子数的增加而增大,在团簇中离子数较大时,满足无规行走(自由连接链)模型的结果.这些说明氯化钠水溶液中存在着自聚集效应和微观不均匀,显示出自聚集效应也存在于离子溶液之中.上述区域和团簇的物质组成分别与氯化钠水溶液形成的冰和NaCl·2H_(2)O晶体的组成具有类似性,这启发人们思考溶液中该区域与团簇和相应固相中两种晶体之间的联系,促进对晶体形成的认知.

正丙醇、正丁醇和正辛醇中Debye弛豫动力学的测量与分析

单羟基醇具有其他液体通常所不具备的Debye弛豫过程,随着研究工作的开展,一些与之相关的新现象和新问题也逐渐被发现,深化了对物质结构和动力学的认知.为了进一步研究Debye弛豫过程的动力学及其受分子构成影响的情况,本文通过介电谱方法对3种无支链无侧基伯醇中的Debye弛豫进行测量与分析,揭示了该过程的一些变化规律.在正丙醇、正丁醇和正辛醇这3种伯醇中Debye过程的特征温度、VogelFulcher-Tammann(VFT)温度的倒数和强度参量以及弛豫单元在高温极限下的激活能和固有振动频率的对数几乎都随分子内碳原子数的增加而线性增加.但是VFT温度变化不大,具有一致性,表明这3种单羟基醇中Debye过程的弛豫单元应该相同,进一步验证了Debye弛豫来源于氢键分子链中羟基的观点.将样品的沸点和熔点等信息与上述激活能的变化进行对比,表明氢键作用与分子之间的整体相互作用具有正相关性.另外,将强度参量的变化情况与相关理论进行结合,给出了研究液体脆性的一个可能视角;三者弛豫过程与乙醇结果的对比,显示出Debye弛豫与α弛豫的分离程度会受到分子链长的影响,也为Debye弛豫的研究提供了切入点.这些结果将为单羟基醇Debye弛豫的进一步理解与研究产生促进作用,也为相关理论提供检验性的实验信息.

丙三醇的恒温变频与变温恒频介电谱的对比研究

对丙三醇进行了恒温变频介电谱和变温恒频介电谱测量,并将两种测量中所得的实验结果进行了对比.结果表明:1.0 K/min的降温过程中所得到弛豫峰的数据最为接近恒温变频测量所得到的结果,1.5 K/min和2.0 K/min的结果相对于恒温变频的偏离程度基本一致.结果还显示不同降温速率下所得的弛豫时间之间的偏离程度随着温度的降低出现了先减小后增加的趋势.

丙三醇水溶液中2个α弛豫的共存

本文通过介电谱和差示扫描量热法(DSC)对系列浓度的丙三醇水溶液进行了研究.介电谱结果表明浓度为58%和56%的丙三醇水溶液中存在着2个α弛豫过程,明显不同于传统上对丙三醇水溶液的认知.微观相分离理论对介电谱中的2个α弛豫共存以及DSC上的变化特征进行的分析表明,丙三醇水溶液中存在着丙三醇浓度分别低于和高于平均浓度的微观区域,并且在丙三醇浓度低于平均浓度的区域中心,丙三醇浓度不随平均浓度的变化而改变.本文的研究将促进对丙三醇水溶液的进一步认知,同时也为其应用和进一步研究提供基础.