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行業(yè)新聞
您當前位置：網站首頁 > 行業(yè)新聞- 鋁管中的溶劑化作用對高苛性 比中等濃度鋁酸鈉溶液
- 2019/10/25 閱讀次數(shù)：[580]
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應用量子化學從頭算密度泛函理論以及 DFT ／COSM O 溶劑模型，基于 U H F／BLY P／DN P 水平對高苛
性 比中等濃度鋁酸鈉溶 液中各類 離子(分子 )的溶劑化作用進 行研究 。根據離子 (分子 ) 的幾何構 型、總 能量 、振 動
頻率 、相鋁方管鋁管方鋁管6061鋁管6063鋁管關熱力學數(shù)據 以及相應 的水合 自由能 ，對溶液中離子(分子 )的存 在形式 以及 不同離子 (分子 )問 的平衡轉
化關 系 進 行 分 析 。結 果 表 明，在 高 苛 性 比 中等 濃 度 鋁 酸 鈉 溶 液 中，鋁 主 要 是 以 水 合 A I(O H ) 離 子 和
N a(H O ) A I(O H ) 離 子對形式存在，同時還存在有 中性水合分子 A I(O H )s H O 。鋁 酸鈉溶 液是拜 耳 法生產 氧 化鋁工 藝 中重要 的
中間物 質 ，揭示 鋁酸 鈉溶 液的結 構 性 質是 強化 鋁 酸
鈉溶液分解的關鍵[1]。在分析與探求鋁酸鈉溶液微
觀結 構鋁方管鋁管方鋁管6061鋁管6063鋁管 方 面 ，眾 多 的研 究 工 作 形成的
高苛性 比中等濃度鋁酸鈉溶液的結構性質鮮有文獻
報道。盡管四面體 A I(O H ) 離子是該溶液的主要
成分 鋁方管鋁管方鋁管6061鋁管6063鋁管，已被大量實驗所證實，但是溶液 中還存在有其它類型的離子(分子)，因其相對含量低且容易發(fā)
生轉 化[2 ]，用 常規(guī) 檢 測 手 段 很 難 區(qū)分 。同 時在 該
鋁酸鈉溶液中，存在著鈉離子 、鋁酸根離子 等的強
水合作用 ，使離子 (分子)在溶液 中有較強的溶劑化
作用 引。
由于大多數(shù)溶液中的化學反應及化學特性與在
真 空狀 態(tài)下 有很 大差別 ，為此 人們 提 出 了許 多理論
計 算模 型來探 求 溶 質 的溶 劑化 作 用本文作者 采用 D m ol。中
D FT ／C O SM O 模 型 程 序 包 ，從 理 論 上 研 究 高 苛 性
比中等濃度鋁酸鈉溶液 中水合離子 (分子)的特性 ，
并分析其在溶液 中的存在形式和彼此之間的平衡轉
化關 系 。本 工 作 采 用 的 D FT ／C O SM O 溶 劑模 型處
理溶 質 的 溶 劑化 作 用 具 有 精 確 、節(jié) 省 機 時 的特
點[1 引，計算結果將對氧化鋁工業(yè)生產具有一定的
理論 指導 意義 。
1 計算方法
選取 U H F／B L Y P ／D N P 水平 的從頭算密度泛
函方法 ，對高苛性 比中等濃度鋁酸鈉溶液 中可能存
在的各鋁方管鋁管方鋁管6061鋁管6063鋁管類離子(分子)的總能量 、幾何構型、振動頻率
進行精確計算[6]。幾何優(yōu)化梯度小于 2 kJ／m ol ，本
征值 與本 征 函 數(shù) 收 斂精 度 為 1O_。kJ／m ol。對 于 溶
液中離子 (分 子)水合依據文獻[2，3 ， 子 的濃度 下
降 ，溶液 中聚合 離 子 消失 ；單體 鋁 酸根 離 子是 主要
成分 ，溶液保持相對穩(wěn)定。因此 ，本研究選取高苛
性 比 中鋁方管鋁管方鋁管6061鋁管6063鋁管等濃 度 鋁酸鈉 溶液 中可 能存 在 的離子 (分 子 )
種 類 ： A I(O H )3 H 2O ， A I(O H )3， A I(O H ) ，
A 1(0 H )；一，A 1(0 H )2一，A I(H 。0 )2 ， N a (H 。O ) ，
N a(H 20 ) (0 H ) ，N a ( H 20 )4A 1 (O H )4 ，N a ( H 20 )
A I(O H )；，進 行 理 論 計 算[2]，計 算 理 論 模 型 見 圖
1。通過計算得到其真空下 A l一0 鍵長 R (A l一0 )
(vacu)、溶 液 中 A l一0 鍵 長 R (A l一0 )(so1)、真 空
下總能量 E ⋯ 以及相應的水合 自由能 G hydr，計算結
果見 表 1 和 表 2 。
從 表 1 中 A l(O H ) ，A l(O H )i一，A l(O H )2一
的幾何構型來看 ，由于溶質的溶劑化作用 ，A l一0
鍵 長均有 所 減 少 。但 中性 分 子 A 1(0 H )。H 。O 從 真
空 到溶 液 中的 A l一 0 鍵 長 稍 微O H ) 中與鈉
原 子相 鄰 的兩個 A l一0 鍵長 從真 空狀態(tài) 的 1．817 A
減 少到水 溶 液 中的 1．778 A ，另 2 個 的 A l一0 鍵 長
則 縮小 了 0．01 A 左 右 。N a(H 。O ) A l(O H ) 離子
對 中 A l一 0 鍵 長 變 化 與 N a (H 。O ) A l(O H )
離 子對 相 類 似 。 A l(0 H )。H 。O ， A l(O H ) ，
N a(H 20 )4A l(O H )4， N a(H 20 ) A l(O H ) 在
C O SM O 模 型 中度鋁 酸鈉溶液結構參數(shù) 中 A l—o 鍵 長值 (1．75 ～
1．8O A )具有很 好 的一致 性 。
依據量子化學計算處理溶劑化作用 的有關原
理[】川，溶質的水合 自由能包含 3 個部分 ：溶質從真
空 中溶 入溶 劑 中 的能 量 (E -一E )；溶 劑 形成 空
穴 所需 的 能 量 (G ～ 。 )；溶 質 對 溶 劑 的 極 化 作 用
(G ＆。)�？紤] 到 “電荷 離 子 A 1(o H ) ，
A I(O H )~一和 A l(o H )2～ 中離 子 所 帶 負 電荷 越 多 ，
獲得 的水合 自由能 越 大 。為 了 了解 溶 液 中離 子 (分
子 )之 間的轉 化 關 系 以 及相 對 穩(wěn) 定 性 ，分 別 利 用 各
類離子 (分子)的 E ⋯ ，E 一E 值 ，分析它們可能
反應 的能量 變化 情 況 ，計(5)，a (H O )eO H 和
A I(o H )。H 0 的能量變化為 1O．45 kJ／m ol，但高苛
性比中等濃度鋁酸鈉溶液 中水合鈉離子含量相對很
大，所以中性分子 A l(o H )。H 0 很可能穩(wěn)定存在
于 該 溶 液 中。 由 反 應 (8 ) 可 知，N a (H zO ) ，
A I(O H )i-比 N a(H 0 ) A I(O H ) 更具有能量優(yōu)勢 ，
因此 可 以認 為隨溶 液 中 自由水增 多 ，N a(H o )
A l(0 H ) 中鈉 與鋁原子共享 的配位體羥基分開 ，水
分子 配位 到鈉 離子 形成 N a(H z 0 ) A l(O H )i-。
2．2 A l(o H )，H 2o 與 A l(o H ) 的 A i--4) 鍵 伸 縮
振動 分析
李 潔 曾 利用 R am an 光 譜 以及 紅外 光 譜 對 中
等濃度過飽和鋁酸鈉溶液 自發(fā)成核進行在線分析時
發(fā)現(xiàn) ，隨苛性 比的增大在低頻 區(qū)出現(xiàn)新 的弱的振動峰 。實驗測得高苛性比中等濃度鋁酸鈉溶液的 R a—
m an 光譜與紅外光鋁方管鋁管方鋁管6061鋁管6063鋁管譜值在 625 cm 處有一吸收峰 ，
并證 實 為 A I(O H )4- 離 子 的 特 征 伸縮 振 動 [2 ]。利
用 B L Y P／D N P 計 算 真 空 下 和 溶 液 中
A l(o H )。H zo 、A l(O H ) 的在水溶液中則是
423 cm ；A l(O H ) 離子 則分 別是 610 cm 和 628
c m _ 。 。
可 知 A l(0 H )g 在溶 液 中的振 動 頻率 理論 計
算 值 能 較 好 地 與 實 驗 測鋁方管鋁管方鋁管6061鋁管6063鋁管 定 值 吻 合 。但 水 合
A l(o H )。H o 在 423 cm 的 對 稱 伸 縮 振 動 特 征 光
譜 不 能 從 譜 圖 上 顯 示 出 來 ， 可 能 是 因 為
A l(o H )。H o 的存 在量 相對 少 而被其 它峰 所掩 蓋 。
2．3 平衡反 應 的熱 力學分 析
利用 BL Y P／D N P 計 算 了真空下各類離子 (分
子)的振 動頻率 ，并確 保所有振 動頻率均 為正值 ，
對 N a(H 2o )‘A l(O H )4 和 N a(H 2O ) A l(O H ) 在
真空狀態(tài)下則計算 N aA 1(o H ) 的振動頻率L9]。得
到標準狀態(tài)下各類物質 的零點振動能 (ZPE )、熱容
(c，)、熵(S)、焓 (H 。一H )等一系列離子 (分子)的
熱力學數(shù)據。由于在該水平下頻率校正系數(shù) 廠約為
0．98E ]，所以熱力學分析可忽略鋁方管鋁管方鋁管6061鋁管6063鋁管頻率校正，部分計
算結果見表 4。
根據 量 子 化 學 計 算 原 理 及 有 關 熱 力 學 理
論 [】 ，反應 焓變 ：
△H T 一 △E 0+ A Z P E + △(H 。一 H T ) (1)
反應熵 變 ：
△ST 一∑Sba k．T一 ∑S f0r．T (2)
真空下 反應 吉布斯 自由能 ：
G T
．
一
H T — T S T (3)
對于溶液中反應吉布斯 函數(shù) (G 。�！�)則利用水合
自由能( 神 )進行修正 ： 算 結果 見 表 3。從 表 3 看
出 ，A I(o H )。H 2O 轉 化 為 A 1(o H ) 的 反 應 (1) ，
在真空下能鋁方管鋁管方鋁管6061鋁管6063鋁管量變化為 一262．09 kJ／m ol，而在溶 液
中是一147．55 kJ／m ol。同樣 ，可以看出對反應(3)、計算 的 A l一0 鍵 長 值與 李 潔[2]、
R adnaiDs]通過X 射線衍 射得 到的高苛性 比中等濃 自由能 的計 算，選 用 D FT ／
C 0 SM 0 模 型[1 ，水 的介 電常數(shù) e 取 78．4 ，C O S—
M 0 溶劑半徑為 1．30 A ，每個原子的 C O SM O 片段
值鋁方管鋁管方鋁管6061鋁管6063鋁管為 92 ，而其格點數(shù)選 1082 ，為了修正 CO SM O 模
型 中的“電荷外漏”現(xiàn)象 ，選用修正半徑增量為 0．15
A [1引。所有 的計 算工 作均 在 中南大 學 化學 化 工學 院
量 化工 作站 C erius。程 序 中完成 。
關t 詞 ：鋁酸鈉溶液；密度泛函；溶劑化作用；水合 自由能
