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

doi:10.3866/PKU.WHXB201602184

物理化学学报 >> 2016, Vol. 32 >> Issue (5): 1143-1150.doi: 10.3866/PKU.WHXB201602184

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

袁俊生^1,^3,*(),刘子禹^2,³,李非^1,³,李申予^1,³

¹ 河北工业大学海洋科学与工程学院,天津300130
² 河北工业大学化工学院,天津300130
³ 教育部海水资源高效利用技术工程研究中心,天津300130)

收稿日期:2015-12-11 发布日期:2016-05-07
通讯作者: 袁俊生 E-mail:jsyuan2012@126.com
基金资助:
河北省重点基础研究项目(13963103D);长江学者和创新团队发展计划(IRT14R14);和国家科技支撑计划项目(2015BAB09B00)

Study of the Hydrated Structure of KCl and NaCl Mixed Solutions Using X-ray Diffraction and Raman Spectroscopy

Jun-Sheng YUAN^1,^3,*(),Zi-Yu LIU^2,³,Fei LI^1,³,Shen-Yu LI^1,³

¹ School of Marine Science and Engineering, Hebei University of Technology, Tianjin 300130, P. R. China
² School of Chemical Engineering and Technology, Hebei University of Technology, Tianjin 300130, P. R. China
³ Engineering Research Center of Seawater Utilization Technology of Ministry of Education, Tianjin 300130, P. R. China

Received:2015-12-11 Published:2016-05-07
Contact: Jun-Sheng YUAN E-mail:jsyuan2012@126.com
Supported by:
the Basic Research Project of Applied Basic Research Plan of Hebei Province, China(13963103D);Program for Changjiang Scholars and Innovative Research Team in University, China(IRT14R14);National Key Technology R & D Program, China(2015BAB09B00)

摘要/Abstract

摘要：

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。

关键词: X射线衍射, 拉曼光谱, KCl, NaCl, 溶液结构

Abstract:

Research on the hydrated structure of KCl and NaCl mixed solutions with a concentration range between 0 and 26% was conducted using X-ray diffraction and Raman spectroscopy at 25 ℃. Their reduced structure functions, F(Q), and reduced pair distribution functions, G(r), obtained from X-ray diffraction indicate that compared with Na⁺, the hydration numbers and shell radii of the hydrated K⁺ ions are larger. This explains why the solubility of NaCl is higher than that of KCl at 25 ℃. According to the Raman spectroscopy, the tetrahedral hydrogen bonds of water molecules will be destroyed with the increase in KCl concentration and the decrease in NaCl concentration. The extent of the bond destruction has systematic variations; for example, increasing at first and then decreasing. These results show that the destruction of the hydrogen bond structure resulting from Na⁺ is more serious than from K⁺. Also, with the appropriate K⁺ content in the NaCl solution, Na⁺ will behave as a structure breaker instead of a structure maker, which enhances the destructiveness of the solution structure.

Key words: X-ray diffraction, Raman spectroscopy, Potassium chloride, Sodium chloride, Solution structure

袁俊生,刘子禹,李非,李申予. 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[J]. 物理化学学报, 2016, 32(5), 1143-1150. doi: 10.3866/PKU.WHXB201602184

Jun-Sheng YUAN,Zi-Yu LIU,Fei LI,Shen-Yu LI. Study of the Hydrated Structure of KCl and NaCl Mixed Solutions Using X-ray Diffraction and Raman Spectroscopy[J]. Acta Phys. -Chim. Sin. 2016, 32(5), 1143-1150. doi: 10.3866/PKU.WHXB201602184

链接本文: https://www.whxb.pku.edu.cn/CN/10.3866/PKU.WHXB201602184

https://www.whxb.pku.edu.cn/CN/Y2016/V32/I5/1143

参考文献

1	Smirnova P. R. ; Grechinb O. V. ; Trostina V. N. Russ. J. Phys. Chem. A 2014, 88, 250.
2	Brady G.W. ; Krause J. T. J. Phys. Chem. 1957, 27, 304.
3	Terekhova D. S. ; Ryss A. I. ; Radchenko I. V. J. Struct. Chem. 1969, 10, 807.
4	Fishkis M. Y. ; Soboleva T. E. J. Struct. Chem. 1974, 15, 175.
5	Neilson G.W. ; Skipper N. Chem. Phys. Lett. 1985, 114, 35.
6	Tongraar A. ; Liedl K. R. ; Rode B. M. J. Phys. Chem. A 1998, 102, 10340.
7	Azam S. S. ; Hofer T. S. ; Randolf B. R. ; Rode B. M. J. Phys. Chem. A 2009, 113, 1827.
8	Ramaniah L. M. ; Bernasconi M. ; Parrinello M. J. Chem. Phys. 1999, 111, 1587.
9	Liu Y. ; Lu H. G. ; Wu Y. B. ; Hu T. P. ; Li Q. L. J. Chem. Phys. 2010, 132, 124503.
10	Harsányi I. ; Bopp P. A. ; Vrhov?ek A. ; Pusztai L. J. Mol. Liq. 2011, 158, 61.
11	Gereben O. ; Pusztai L. J. Non-Cryst. Solids 2015, 407, 213.
12	Mile V. ; Gereben O. ; Kohara S. ; Pusztai L. J. Phys. Chem. B 2012, 116, 9758.
13	Mile V. ; Pusztai L. ; Dominguez H. ; Pizi O. J. Phys. Chem. B 2009, 113, 10760.
14	Palinkas G. ; Radnai T. ; Hajdu F. Zeitschrift Für Naturforschung A 1980, 35, 107.
15	Ohtaki H. ; Fukushima N. J. Solution Chem. 1992, 21, 23.
16	Nikologorskaya E. L. ; Kuznetsov V. V. ; Grechin O. V. ; Trostin V. N. Russ. J. Inorg. Chem. 2000, 45, 1759.
17	Li F. ; Han Z. ; Li D. C. ; Li S. Y. ; Yuan J. S. Chin. J. Anal. Lab. 2014, 33, 1072.
17	李非; 韩镇; 李栋婵; 李申予; 袁俊生. 分析试验室, 2014, 33, 1072.
18	Li F. ; Yuan J. S. ; Li D. C. ; Li S. Y. ; Han Z. J. Mol. Struct. 2015, 1081, 38.
19	Juha′s P. ; Davis T. ; Farrow C. L. ; Billinge S. J. L. J. Appl. Cryst. 2013, 43, 560.
20	Li Q. Z. ; Wu G. S. ; Yu Z.W. J. Am. Chem. Soc. 2006, 128, 1438.
21	Feng W. S. ; Fang Y. ; Xu J. X. ; Fang C. H. ; Jia Q. J. ; Wang H. H. ; Jiang X. M. Acta Phys. -Chim. Sin. 2008, 24 (3), 497.
21	冯望生; 房艳; 徐继香; 房春晖; 贾全杰; 王焕华; 姜晓明. 物理化学学报, 2008, 24 (3), 497.
22	Fu L. X-ray Study of the Structure of LiquidWater. PDissertation h. D. American: Stanford University, 2009.
23	Zhou Y. Q. Structure and Properties of Aqueous Sodium Borate Solutions. PDissertation h. D. Dissertation, Qinghai Institute of Salt Lakes, Chinese Academy of Sciences, Xining 2010.
23	周永全. 硼酸钠水溶液结构及性质西宁:中国科学院青海盐湖研究所, 2010.
24	Megyes T. ; Bálint S. ; Grósz T. ; Radnai T. ; Bakó I. J. Chem. Phys. 2008, 128, 044501.
25	Ohtomo N. ; Arakawa K. Bull. Chem. Soc. Jpn. 1980, 53, 1789.
26	Mancinelli R. ; Botti A. ; Bruni F. ; Ricci M. A. J. Phys. Chem. B 2007, 111, 13570.
27	Li F. Study on the Structure of Potassium Salt Aqueous Solutions. PDissertation h. D. Tianjin: Hebei University of Technology, 2015.
27	李非. 钾盐水溶液结构研究, 天津: 河北工业大学, 2015.
28	Wang C. C. ; Lin K. ; Hu N. Y. ; Zhou X. G. ; Liu S. L. Acta Phys. -Chim. Sin. 2012, 28, 1823.
28	王陈琛; 林珂; 胡乃银; 周晓国; 刘世林. 物理化学学报, 2012, 28, 1823.
29	Impey R.W. ; Madden P. A. ; McDonald I. R. J. Phys. Chem. 1983, 87, 5071.

[1]	张月皎, 朱越洲, 李剑锋. 拉曼光谱在燃料电池领域的应用[J]. 物理化学学报, 2021, 37(9): 2004052 - .
[2]	孟庆国, 刘昌岭, 李承峰, 郝锡荦, 胡高伟, 孙建业, 吴能友. 常见客体分子对笼型水合物晶格常数的影响[J]. 物理化学学报, 2020, 36(11): 1910010 - .
[3]	张宗辉, 任进军, 胡丽丽. 利用固态核磁共振研究100LiO_1/2-(100-x)PO_5/2-xTeO₂快离子导电玻璃的结构[J]. 物理化学学报, 2020, 36(11): 2001048 - .
[4]	黎建,林聪,林建华,孙俊良. X射线晶体学结合电子晶体学在复杂无机晶体结构解析中的应用[J]. 物理化学学报, 2020, 36(1): 1907052 - .
[5]	刘芳,张鲁凤,董倩,陈卓. 小尺寸金石墨纳米颗粒的合成与表征[J]. 物理化学学报, 2019, 35(6): 651 -656 .
[6]	周永全,曾我良枝,山口敏男,房艳,房春晖. RbCl和CsCl水溶液结构的X射线散射及经验势结构精修模拟[J]. 物理化学学报, 2018, 34(5): 483 -491 .
[7]	韩磊,彭丽,蔡凌云,郑旭明,张富山. 液态聚乙二醇CH₂剪切振动和扭转振动——拉曼光谱和密度泛函理论计算[J]. 物理化学学报, 2017, 33(5): 1043 -1050 .
[8]	吴元菲,李明雪,周剑章,吴德印,田中群. 密度泛函理论研究银上吸附对巯基吡啶的SERS化学增强效应[J]. 物理化学学报, 2017, 33(3): 530 -538 .
[9]	金璐頔,徐晶晶,张勇,余跃洲,刘畅,赵东平,叶安培. 软骨细胞体外增殖去分化的拉曼光谱分析[J]. 物理化学学报, 2017, 33(12): 2446 -2453 .
[10]	金颖淳,郑旭明. 2, 4-二硫代尿嘧啶的紫外吸收光谱和共振拉曼光谱[J]. 物理化学学报, 2017, 33(10): 1989 -1997 .
[11]	姜涛,田杰,王宁,彭述明,李梅,韩伟,张密林. KCl-MgCl₂-K₂ZrF₆-ZrO₂熔盐体系中Mg-Zr合金的制备[J]. 物理化学学报, 2016, 32(9): 2301 -2308 .
[12]	马红星,葛婷婕,蔡倩倩,徐颖华,马淳安. 水溶液中银阴极对3,4,5,6-四氯吡啶甲酸脱氯反应的催化作用[J]. 物理化学学报, 2016, 32(7): 1715 -1721 .
[13]	姜涛,王宁,程长明,彭述明,严六明. LiCl-KCl-CeCl₃熔盐结构与热力学的分子动力学模拟[J]. 物理化学学报, 2016, 32(3): 647 -655 .
[14]	阎波,周桓,李文轩. 拉曼光谱法研究Na⁺, Mg²⁺//SO₄^2-, Cl^-, H₂O四元体系中SO₄^2-离子缔合结构特征及其变化规律[J]. 物理化学学报, 2016, 32(2): 405 -414 .
[15]	姜涛,田杰,王宁,彭述明,李梅,韩伟,张密林. LiCl-KCl-LaCl₃熔盐体系中La(III)的电化学行为[J]. 物理化学学报, 2016, 32(10): 2531 -2537 .

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