钙、镁、氯离子水化现象的研究

论文摘要

应用分子动力学方法,对Ca2+、Mg2+、Cl-三个单一离子的水化情况进行了研究,考察了温度和浓度对CaCl2、MgCl2溶液中离子水化的影响,并探索了应用XRD衍射实验测定溶液结构的实验方法,以期对海水资源的开发利用提供一定的理论依据。模拟了298K下,密度为1.0g/cm3的水溶液中Ca2+、Mg2+、Cl-的水化现象,得到了相应离子周围水分子的微观分布情况。发现在阳离子周围,水分子以其氧离子去靠近阳离子;而在阴离子周围,水分子则以其中的一个氢原子去靠近阴离子。计算出了Ca2+、Mg2+、Cl-的径向分布函数、配位数曲线、水化数、水化半径,发现Ca2+的水化数和水化半径均大于Mg2+,即Ca2+的水合能力比Mg2+强。与其它文献对比,本文计算所得的自扩散系数更接近实验所得结果。对温度分别为298K、323K和373K的CaCl2、MgCl2溶液体系中离子的水化情况进行了计算,发现温度对Ca2+、Cl-近程水化的结构有一定的影响,随着温度的升高,CaCl2溶液中Ca2+的配位数分别升高,Cl-的配位数随着温度的升高而减小,对Mg2+配位数没有影响。由于温度越高,粒子的运动越活跃,所以随着温度的升高,CaCl2、MgCl2溶液中Ca2+、Mg2+、Cl-的自扩散系数都有升高趋势。研究了温度为298K的条件下,浓度为0.901mol/L、2.703mol/L、5.406mol/L的CaCl2溶液中Ca2+,Cl-的径向分布函数,并求得了相应的配位数,发现随着浓度的升高,CaCl2溶液中Ca2+,Cl-的配位数分别成降低趋势。同时,随着浓度的升高,Ca2+、Cl-的自扩散系数也都有降低的趋势。这可能是由于浓度的升高,加剧了离子的微观反向运动造成的。利用PXRD,对电解质溶液结构测定进行了探索。选定厚度为0.00625mm的麦拉膜为窗口材料,初步获得了溶液的X射线衍射图谱。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 序言
• 第二章 文献综述
• 2.1 计算机模拟溶液体系的应用
• 2.1.1 溶液模拟的技术进展
• 2.1.2 目的和应用
• 2.2 本文研究的目的和意义
• 第三章 理论背景
• 3.1 分子动力学模拟的基本概念
• 3.2 分子动力学模拟的理论基础
• 3.2.1 统计力学简介
• 3.2.2 势能与分子力场
• 3.2.3 牛顿运动方程及求解
• 3.2.4 分子动力学模拟的初始设定
• 3.2.5 周期性边界条件与最近镜像
• 3.2.6 积分步长的选取
• 3.2.7 定温计算法
• 3.3 分子动力学模拟的应用
• 3.3.1 径向分布函数
• 3.3.2 轨迹分析
• 3.3.3 热力学特性的计算
• 3.3.4 动力学特性的计算
• 第四章 钙、镁、氯离子水化现象的分子动力学模拟
• 4.1 分子动力学模拟的途径
• 4.1.1 模拟所需条件
• 4.1.2 Material Studio 简介
• 4.1.3 本文工作所使用的模块
• ²⁺、Mg²⁺、Cl^-三种单一离子水化的分子动力学模拟'>4.2 Ca²⁺、Mg²⁺、Cl^-三种单一离子水化的分子动力学模拟
• 4.2.1 模拟使用的势能模型
• 4.2.2 模拟方法
• 4.2.3 具体方法
• 4.2.4 模拟结果和讨论
• 4.2.5 小结
• 2、MgCl₂ 溶液中离子水化的影响'>4.3 温度对CaCl₂、MgCl₂溶液中离子水化的影响
• 4.3.1 模拟使用的势能模型
• 4.3.2 模拟方法
• 4.3.3 具体方法
• 4.3.4 模拟结果和讨论
• 4.3.5 小结
• 2 溶液中离子水化的影响'>4.4 浓度对CaCl₂溶液中离子水化的影响
• 4.4.1 模拟使用的势能模型
• 4.4.2 模拟方法
• 4.4.3 模拟结果和讨论
• 4.4.4 小结
• 第五章 溶液结构的实验测定
• 5.1 最优测定条件的选取
• 5.1.1 样品池深度选择
• 5.1.2 窗口材料的选择
• 5.2 X 射线衍射测量
• 5.2.1 样品制备及衍射测量
• 5.2.2 结果分析
• 5.3 小结
• 第六章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间所取得的相关科研成果