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用激光拉曼光谱研究液态乙醇的水合作用过程

周建和 | -> | 1473| 1| 0.834346MB |伸缩振动,水合作用,乙醇

周建和 周建和 | 文档量 |浏览量28833

摘􀀁 要􀀁 为研究室温下乙醇- 水二元混合物内部的分子间缔合情形, 测得了不同体积配比溶液的拉曼光谱,发现位于2 800~ 3 050 cm- 1 波数区间的C 􀀁 H 伸缩振动频率随乙醇中加入水量的增加整体呈现蓝移趋势,而位于1 048 cm- 1 附近的CO 伸缩振动频率的变化规律却与此相反。分析认为, 这种现象主要由溶液内部分子间发生的不同水合作用所致, 并据此阐明了液态乙醇的水合作用过程: 水分子首先与纯乙醇中的自缔合短链发生氢键缔合作用, 形成了含有较多乙醇分子数的乙醇水合团簇, 直到溶液中水的体积含量达到50%时, 乙醇的水合作用达到暂时饱和; 而当水的体积含量继续增加到70%以后, 水分子致使原有乙醇水合团簇解离形成较小尺寸的团簇, 并与解离点位上的乙醇分子羟基发生进一步水合作用; 而后, 当水体积含量增至一定程度后, 还会导致乙醇分子疏水基CH 基团与水分子间形成弱氢键C 􀀁 H 􀀁O。
    醇- 水二元体系一直以来是一个热门的研究课题, 学者们采用实验手段[1] 和计算机模拟方法[ 2, 3] 对其进行了深入研究, 获得了较多的有关分子结构和动力学特性的信息。在相关实验研究中发现, 一些醇类分子CH 基团的伸缩振动频率会随溶液中醇浓度增加向低频移动。Mizuno 等[4] 从乙醇- 水混合物傅里叶红外光谱中观察到乙醇分子CH 3 非对称伸缩振动频率与浓度间的这种关系, 并结合核磁共振方法将之解释为乙醇浓度增加过程中乙醇分子烃基氢原子以及甲基碳原子上的电子迁移到了分子另一端的羟基氧原子上、烃基上电子密度减少所致。Adachi 等[5, 6] 分析了甲醇分子与水分子的相互作用, 倾向于甲醇分子上CH 基团与水分子上的氧原子直接作用缔合形成C 􀀁 H 􀀁O 弱氢键是造成C 􀀁 H 伸缩振动频率随甲醇浓度增加向低频移动的原因。而Dix it 等[ 7] 用高分辨拉曼光谱对甲醇- 水二元溶液中水合作用的研究却认为,在高浓度溶液中, 甲醇分子亲水基OH 与水分子间的氢键缔合作用才是导致C 􀀁 H 伸缩振动频率随浓度增加移向低频的原因, 只有在甲醇摩尔浓度低于15%时CH 基团才会与水分子发生作用, 导致C 􀀁 H 伸缩振动频率随浓度持续降低发生进一步蓝移。Dix it 等的研究详细阐述了各浓度范围溶液中发生的水合作用情况, 并提出了相应的分子团簇模型。由于甲醇分子在醇类分子中结构最为简单, 对它的研究较为深入。然而, 由于醇类分子是典型的两性分子, 其中既含有疏水成分, 又含有亲水成分, 当醇类分子与水形成混合物时,它们在水中溶解和扩散的方式非常复杂。乙醇分子比甲醇分
子多一个CH 2 基团, 与水混合后分子间的相互作用较甲醇更为复杂, 对乙醇- 水混合物中分子间相互作用的微观情形以及所形成分子团簇的结构至今尚未形成一致的认识。
    本文根据乙醇分子中C 􀀁 H 伸缩振动拉曼特征峰以及C 􀀁 O 伸缩振动拉曼特征峰峰值位置随溶液浓度变化发生移动的现象, 分析了其产生原因, 从而得到了在溶液浓度渐变过程中乙醇分子和水分子间所发生的水合作用情形以及相应的团簇形态。
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