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摘要
有关水结构的认识仍有较大争议,焦点主要在于氢键结构类型的划分及各类型比重的确定。为进一步探讨水的结构,分析了不同温度、 H?D同位素取代和氯离子浓度条件下H2O/D2O的拉曼光谱特征。随温度由253 K逐渐升至753 K,纯水的OH伸缩振动带带宽显著下降,主峰明显蓝移,肩峰对主峰的相对强度不断变化,表明水中存在多种氢键结构。结合高斯去卷积方法,将这些光谱特征归因于水中并存的五种主要的氢键结构:两种四面体,单供体、单氢键和自由水。四面体氢键构型是水的弯曲振动、平动+弯曲和频振动及分子间振动耦合产生的结构基础。根据四面体度数据,水结构具有较强的灵活性,即水中相当比重的氢键结构以非四面体形态存在。升温导致水中的四面体度显著下降,促进四面体构型向单供体、单氢键和自由水转变。同位素取代降低OH/OD伸缩带低频肩峰对主峰的相对强度,却增加高频肩峰对主峰的相对强度,尤其在513 K以上的高温下,VH2O/VD2O=1/4或4/1水的OH或OD伸缩带上的高频肩峰将转变为主峰。这些特征有力的支持了水的多结构体模式:同位素取代导致水中的氢键结构形态发生转变,由于O—D…O?O—H…O氢键的转换,原始O—D…O(O—H…O)四面体或非四面体氢键比率下降。同位素取代强化自由水模式甚至在高温下促其转变为主峰,也进一步证明了水中氢键结构随温度升高而转化的事实。多结构下的多峰模式可有效解释H2O/D2O—NaCl溶液在不同温度下的OD/OH伸缩带特征。NaCl加入,433 K以下显著减少水中的四面体氢键构型,将之转变为单供体和单氢键水;而513 K以上轻微地促进水结构。基于宽广条件范围内的拉曼光谱特征给出的水结构细节的划分方案为含水地质流体的拉曼光谱学和结构性质探讨提供了理论依据。
- 出版日期2021
- 单位内蒙古科技大学
