KNO_(3)溶液结构:密度泛函理论和分子动力学研究

基于密度泛函理论,采用ωB97XD方法和6-311++G(d,p)基组,系统研究了[K(H_(2)O)_(n)]+,[NO_(3)(H_(2)O)_(n)]-和KNO_(3)(H_(2)O)_(n)水合团簇的结构和性质;并结合经典分子动力学、OPLS-AA全原子力场以及SPC/E水模型模拟了不同水盐比(WSR)KNO_(3)溶液,目的在于深入理解KNO_(3)溶液中K^(+)和NO_(3)^(-)的微观水合结构,以及K^(+)-NO_(3)^(-)离子间缔合作用特征。研究发现,对于KNO_(3)(H_(2)O)_(n)(n=6,8,10和12)水合团簇,K^(+)第一水合层稳定结构为四、五和六水合结构,其中五水合结构最稳定。K^(+)和NO_(3)^(-)主要以溶剂共享离子对形式存在。随着团簇尺寸减小,直接接触离子对(CIP)物种出现。同时,分子动力学模拟证实KNO_(3)溶液中形成了直接接触K^(+)-NO_(3)^(-)离子对,且随着溶液浓度增加,CIP物种形成需越过更大能垒。以上结果表明在KNO_(3)稀溶液中主要存在物种为水合K^(+)和NO_(3)^(-),随浓度增大,单齿直接接触离子对(MCIP)逐渐出现。在高浓溶液或过饱和溶液中,K^(+)-NO_(3)^(-)离子缔合主要以单齿CIP和少量双齿CIP结构存在。