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水合铵根离子和硫酸根离子体系的理论研究

作　者: 赵飞耀
导　师: 宫利东
学　校: 辽宁师范大学
专　业: 物理化学
关键词: 水合铵离子体系水合硫酸根离子团簇 ABEEM/MM模型氢键极化分子力场
分类号: O641.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
下　载: 36次
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内容摘要

本文运用量子化学和ABEEM/MM浮动电荷分子力场,构建了描述铵离子-水体系相互作用的精密势能函数,对NH₄⁺（H₂O）_n（n=1⁹）簇合物的结构和稳定性等性质进行了研究。对团簇的结合能和电荷布居分析发现,NH₄⁺与第一水合层水分子的相互作用强于水分子之间的相互作用。当n≤4时,随着水分子数目的增加,NH₄⁺与水分子间尽可能多地形成线型氢键,直至水分子在NH₄⁺周围形成完整的第一水合层;当n≥5时,簇合物以NH₄⁺为中心,通过氢键网络形成的环状和笼状结构为最稳定。振动频率分析表明,由于质子化离子的加入,使得水分子的O-H伸缩振动减弱。进一步运用构建的NH₄⁺-H₂O相互作用势能函数,对NH₄⁺水溶液进行了动力学模拟。结果表明,N-O径向分布函数的第一个最高峰位于0.305 nm处,第一水合层的边界约在0.365 nm处,第一水合层的水合数为11.9;角度分布函数中,θ（ONO）角度分布最高峰位于30o到50o之间时,对应于NH₄⁺的第一层大于8配位结构。ABEEM/MM方法的结果与量子化学方法、实验及其它理论方法得到的结果有较好的一致性。采用MP2方法,在6-31G（d,p）基组水平上对水合硫酸根离子团簇SO₄^2-（H₂O）_n（n=1⁸）进行了几何构型的优化发现SO₄^2-离子的极化作用使水分子的键角变化较大,最大达到13°。随着水分子数的增多,S原子与水分子上的O原子的距离变大,氢键相互作用越弱; S原子上电荷逐渐增大,而SO₄^2-和水中O原子的电荷逐渐减小,水中H原子上电荷逐渐增大。从光谱分析可以看出,SO₄^2-与水分子之间强烈的氢键相互作用,使得SO₄^2-的S-O伸缩振动发生了红移,而水分子的O-H伸缩振动发生了蓝移。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-7
1 绪论  7-11
2 基础理论和计算方法  11-13
  2.1 从头计算方法  11
  2.2 密度泛函理论方法  11-12
  2.3 密度泛函理论与分子力场结合  12-13
3 水合铵离子NH_4~+(H_20)_n(n=1～9)性质的理论研究  13-31
  3.1 理论方法  13-15
    3.1.1 精密量子化学原理  13
    3.1.2 NH_4~+-H_20 体系的ABEEM/MM 势能函数  13-14
    3.1.3 ABEEM/MM 模型参数及确定方法  14-15
  3.2 结果与讨论  15-31
    3.2.1 NH_4~+(H_20)_n 的结构  15-22
    3.2.2 铵根离子与水分子之间的相互作用能  22-24
    3.2.3 电荷分析  24-26
    3.2.4 红外振动光谱和频率分析  26-28
    3.2.5 ABEEM/MM-MD 模拟 NH_4~+水溶液体系的性质  28-31
4 水合硫酸根离子SO_4~(2-)(H_20)_n(n=1～8)性质的理论研究  31-39
  4.1 理论方法  31
  4.2 结果与讨论  31-39
    4.2.1 SO_4~(2-)(H_20)_n 的结构  31-34
    4.2.2 硫酸根离子与水分子之间的相互作用能  34-35
    4.2.3 电荷布居分析  35-36
    4.2.4 红外光谱以及振动频率分析  36-39
结论  39-40
参考文献  40-45
攻读硕士学位期间发表学术论文情况  45-46
致谢  46

水合铵根离子和硫酸根离子体系的理论研究

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