酸碱盐水合反应氢键弛豫动力学

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酸碱盐溶液在生物、医药、农业、环保等领域发挥着极其重要的作用。水合反应是其中非常普遍且极其重要的化学过程。科学工作者为理解水合反应做出了不懈的努力,但是对许多方面的认知亟待明确统一。本论文从溶质电荷注入诱导氢键协同弛豫角度出发,利用密度泛函理论(DFT)计算模拟了酸碱盐溶液中溶质离子的动力学弛豫过程,提出了溶质-溶剂分子相互作用的理论模型,明确了溶质离子对局域O:H—O氢键的极化作用,一定程度上验证了水合反应以电荷注入溶剂方式调制溶液氢键网络结构与弛豫行为并决定溶液物理化学性质的物理机制。论文的主要研究内容和结果如下:(1)(Li,Na,K)OH碱溶于水产生Y+碱金属离子和OH-氢氧根。DFT计算表明:Y+碱金属离子会偏心占据(2a)3水立方体堆垛结构的间隙空位,形成Y+·4H2O单元,OH-代替正四面体中心H2O分子形成OH-·4H2O单元。Y+离子通过Y+(?)OH+库仑排斥和Y+:O2-库仑吸引与周围四个定向H2O分子相互作用;孤对电子“:”诱导H2O·4H2O单元转变为OH-·4H2O,将O:H—O常规氢键转变为O:(?):O超氢键。Y+(?)H+排斥增大两者间距,Y+:O2-吸引则缩小其间距,体现了 Y+碱金属离子的各向异性极化作用。Y+的各向异性极化能力、O:(?):O强压缩能力和溶质OH-离子H—O键的自发收缩共同扭曲了溶质周围的氢键网络。(2)H(C1,Br,I)酸溶于水产生X-卤素离子和H3O+水合氢离子。DFT计算揭示:X-卤素离子也会偏心占据水分子堆垛结构的空位间隙而形成X-·4H2O单元,H30+替代正四面体中心H2O分子形成H3O+·4H2O单元。X-离子通过X-(?)O2-库仑排斥和X-:H+库仑吸引与周围四个定向H2O分子相互作用;多余的氢质子通过将H2O·4H2O单元转变为H3O+·4H2O使O:H—O键转变为H(?)H反氢键,H+(?)H+排斥作用会破坏氢键网络结构。X-(?)O2-排斥使其间距增加,并使H2O分子转变成低配位状态;而X-:H+吸引力则使其距离减小,并形成X:H—O键,近邻H2O分子处于失配状态,这体现了 X-卤素离子的强各向异性极化作用。溶质X-的各向异性极化能力和H(?)H量子脆化作用共同破坏水合氢键网络结构。(3)(Mg,Ca,Sr)(Cl,Br)2盐溶于水产生Y2+二价阳离子和X-卤素离子。DFT计算证实:二价阳离子Y2+偏心占据水分子堆垛结构的空位间隙,形成Y2+·4H2O单元,X-卤素离子同样偏心占据在类似的间隙空位,形成X-·4H2O单元。Y2+和X-离子分别通过Y2+(?)H+、X-(?)O2-库仑排斥与Y2+:O2-、X-:H+库仑吸引作用与第一水合壳层内的H2O分子作用,表现出各向异性极化效果。Y2+和X-的各向异性极化能力扭曲水溶液的氢键网络结构。
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