高等学校化学学报 ›› 2018, Vol. 39 ›› Issue (12): 2700.doi: 10.7503/cjcu20180481
收稿日期:
2018-07-05
出版日期:
2018-12-03
发布日期:
2018-11-05
作者简介:
联系人简介: 薛冰纯, 女, 博士, 教授, 主要从事粉体颗粒化理论研究. E-mail:
基金资助:
YAN Xuan, XUE Bingchun*(), LIU Erbao*(
)
Received:
2018-07-05
Online:
2018-12-03
Published:
2018-11-05
Contact:
XUE Bingchun,LIU Erbao
E-mail:bcxue@sxnu.edu.cn;liueb@sxnu.edu.cn
Supported by:
摘要:
通过缓慢蒸发技术合成尿素氯化铵、 尿素溴化铵和尿素氟化铵3种尿素卤化铵共晶. 采用第一性原理方法, 在原尿素氯化铵晶胞结构基础上, 构建同晶系的尿素氟化铵及尿素溴化铵共晶晶胞, 并对3种尿素卤化铵共晶结构的稳定性、 堆积系数和形成能、 卤素离子半径和电负性及离子水合作用进行对比研究. 结果表明, 对于尿素溴化铵共晶, Br-半径较大导致晶胞内部空腔变形, 溴离子水合团簇稳定, 均会阻碍Br-进入尿素孔道内; 对于尿素氟化铵共晶, F-的强电负性使氟离子水合团簇F-(H2O)5稳定性很强, 阻碍裸F-进入尿素空腔中; 对于易于合成的尿素氯化铵共晶, 由于Cl-的电负性及半径大小都适中, 水合离子团簇的稳定性适当, 易于进入尿素空腔中.
中图分类号:
TrendMD:
闫璇, 薛冰纯, 刘二保. 水体系中尿素卤化铵共晶合成及影响因素的理论研究. 高等学校化学学报, 2018, 39(12): 2700.
YAN Xuan,XUE Bingchun,LIU Erbao. Synthesis of Urea Ammonium Halide Cocrystal and Theoretical Study of Its Influencing Factors in Water System†. Chem. J. Chinese Universities, 2018, 39(12): 2700.
Method | a/nm | b/nm | c/nm | α/(°) | β/(°) | γ/(°) | Volume/nm3 |
---|---|---|---|---|---|---|---|
Solid phase honey-like channel method[ | 0.7923 | 1.7121 | 0.8072 | 90 | 90 | 90 | 1.0950 |
Slow evaporation method | 0.7927 | 1.7152 | 0.8050 | 90 | 90 | 90 | 1.0945 |
Table 1 Comparison of unit cell parameters of urea ammonium chloride prepared by two methods
Method | a/nm | b/nm | c/nm | α/(°) | β/(°) | γ/(°) | Volume/nm3 |
---|---|---|---|---|---|---|---|
Solid phase honey-like channel method[ | 0.7923 | 1.7121 | 0.8072 | 90 | 90 | 90 | 1.0950 |
Slow evaporation method | 0.7927 | 1.7152 | 0.8050 | 90 | 90 | 90 | 1.0945 |
Fig.4 Comparison of three urea ammonium halide cocrystal cell structures(A, D) Urea ammonium fluoride cell structure; (B, E)urea ammonium chloride cell structure;(C, F) urea ammonium bromide cell structure.
Species | a/nm | b/nm | c/nm | d(H1—H2)/nm | d(N1—N2)/nm | d(X1—H4)/nm | |||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
Urea-NH4F | 0.7533 | 1.6318 | 0.8069 | 0.3433 | 0.3179 | 0.1709 | |||||
Urea-NH4Cl | 0.8082 | 1.7301 | 0.8580 | 0.3998 | 0.3417 | 0.2253 | |||||
Urea-NH4Br | 0.8250 | 1.7844 | 0.8875 | 0.4171 | 0.3438 | 0.2425 | |||||
Species | d(X1—X4)/nm | d(X2—X3)/nm | d(C2—C3)/nm | d(O1—O2)/nm | ÐH3—N3—H4/(°) | ÐH4—N3—H5/(°) | |||||
Urea-NH4F | 0.4690 | 0.4370 | 0.4343 | 0.4506 | 110.976 | 111.331 | |||||
Urea-NH4Cl | 0.5315 | 0.5075 | 0.4937 | 0.4830 | 108.549 | 110.592 | |||||
Urea-NH4Br | 0.5476 | 0.5220 | 0.5025 | 0.4892 | 108.162 | 110.392 |
Table 2 Unit cell parameters of three units and structural parameters between halogen ions and the main atoms around them
Species | a/nm | b/nm | c/nm | d(H1—H2)/nm | d(N1—N2)/nm | d(X1—H4)/nm | |||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
Urea-NH4F | 0.7533 | 1.6318 | 0.8069 | 0.3433 | 0.3179 | 0.1709 | |||||
Urea-NH4Cl | 0.8082 | 1.7301 | 0.8580 | 0.3998 | 0.3417 | 0.2253 | |||||
Urea-NH4Br | 0.8250 | 1.7844 | 0.8875 | 0.4171 | 0.3438 | 0.2425 | |||||
Species | d(X1—X4)/nm | d(X2—X3)/nm | d(C2—C3)/nm | d(O1—O2)/nm | ÐH3—N3—H4/(°) | ÐH4—N3—H5/(°) | |||||
Urea-NH4F | 0.4690 | 0.4370 | 0.4343 | 0.4506 | 110.976 | 111.331 | |||||
Urea-NH4Cl | 0.5315 | 0.5075 | 0.4937 | 0.4830 | 108.549 | 110.592 | |||||
Urea-NH4Br | 0.5476 | 0.5220 | 0.5025 | 0.4892 | 108.162 | 110.392 |
Atom | Urea-NH4F | Urea-NH4Cl | Urea-NH4Br | ||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
x/nm | y/nm | z/nm | x/nm | y/nm | z/nm | x/nm | y/nm | z/nm | |
H1 | 0.0272 | 0.0661 | 0.0436 | 0.0253 | 0.0667 | 0.0437 | 0.0247 | 0.0667 | 0.0432 |
H2 | 0.0728 | 0.0661 | 0.0436 | 0.0747 | 0.0667 | 0.0437 | 0.0753 | 0.0667 | 0.0432 |
N1 | 0.0153 | 0.0691 | 0.0425 | 0.0143 | 0.0695 | 0.0422 | 0.0140 | 0.0694 | 0.0415 |
N2 | 0.0347 | 0.0691 | 0.0075 | 0.0357 | 0.0695 | 0.0078 | 0.0360 | 0.0694 | 0.0086 |
X1 | 0.0500 | 0.0632 | 0.0577 | 0.0500 | 0.0617 | 0.0549 | 0.0500 | 0.0616 | 0.0547 |
H4 | 0.0337 | 0.0579 | 0.0678 | 0.0320 | 0.0540 | 0.0676 | 0.0315 | 0.0532 | 0.0676 |
X2 | 0.0500 | 0.0862 | 0.0113 | 0.0500 | 0.0881 | 0.0071 | 0.0500 | 0.0883 | 0.0070 |
X3 | 0 | 0.0862 | 0.0387 | 0 | 0.0881 | 0.0429 | 0 | 0.0883 | 0.0430 |
C2 | 0.0500 | 0.0849 | 0.0616 | 0.0500 | 0.0843 | 0.0585 | 0.0500 | 0.0843 | 0.0588 |
C3 | 0 | 0.0849 | 0.0884 | 0 | 0.0843 | 0.0915 | 0 | 0.0843 | 0.0912 |
X4 | 0 | 0.0632 | 0.0923 | 0 | 0.0617 | 0.0951 | 0 | 0.0616 | 0.0953 |
O1 | 0.0500 | 0.05670 | 0.0097 | 0.0500 | 0.0581 | 0.0096 | 0.0500 | 0.0584 | 0.0102 |
O2 | 0 | 0.0570 | 0.0403 | 0 | 0.0581 | 0.0404 | 0 | 0.0584 | 0.0398 |
Table 3 Atomic coordinates of the main numbered atoms
Atom | Urea-NH4F | Urea-NH4Cl | Urea-NH4Br | ||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
x/nm | y/nm | z/nm | x/nm | y/nm | z/nm | x/nm | y/nm | z/nm | |
H1 | 0.0272 | 0.0661 | 0.0436 | 0.0253 | 0.0667 | 0.0437 | 0.0247 | 0.0667 | 0.0432 |
H2 | 0.0728 | 0.0661 | 0.0436 | 0.0747 | 0.0667 | 0.0437 | 0.0753 | 0.0667 | 0.0432 |
N1 | 0.0153 | 0.0691 | 0.0425 | 0.0143 | 0.0695 | 0.0422 | 0.0140 | 0.0694 | 0.0415 |
N2 | 0.0347 | 0.0691 | 0.0075 | 0.0357 | 0.0695 | 0.0078 | 0.0360 | 0.0694 | 0.0086 |
X1 | 0.0500 | 0.0632 | 0.0577 | 0.0500 | 0.0617 | 0.0549 | 0.0500 | 0.0616 | 0.0547 |
H4 | 0.0337 | 0.0579 | 0.0678 | 0.0320 | 0.0540 | 0.0676 | 0.0315 | 0.0532 | 0.0676 |
X2 | 0.0500 | 0.0862 | 0.0113 | 0.0500 | 0.0881 | 0.0071 | 0.0500 | 0.0883 | 0.0070 |
X3 | 0 | 0.0862 | 0.0387 | 0 | 0.0881 | 0.0429 | 0 | 0.0883 | 0.0430 |
C2 | 0.0500 | 0.0849 | 0.0616 | 0.0500 | 0.0843 | 0.0585 | 0.0500 | 0.0843 | 0.0588 |
C3 | 0 | 0.0849 | 0.0884 | 0 | 0.0843 | 0.0915 | 0 | 0.0843 | 0.0912 |
X4 | 0 | 0.0632 | 0.0923 | 0 | 0.0617 | 0.0951 | 0 | 0.0616 | 0.0953 |
O1 | 0.0500 | 0.05670 | 0.0097 | 0.0500 | 0.0581 | 0.0096 | 0.0500 | 0.0584 | 0.0102 |
O2 | 0 | 0.0570 | 0.0403 | 0 | 0.0581 | 0.0404 | 0 | 0.0584 | 0.0398 |
Urea cocrystal | Packing coefficient | Eform/(kJ·mol-1) | ||
---|---|---|---|---|
Urea | Cocrystal | NH4X | ||
Urea-NH4F | 0.8574 | 0.9541 | 0.5487 | -6.2549 |
Urea-NH4Cl | 0.8574 | 0.9390 | 1.0000 | -40.7346 |
Urea-NH4Br | 0.8574 | 0.9034 | 1.0000 | -34.9912 |
Table 4 Formation energy and crystal stacking coefficient of three urea ammonium halide cocrystals
Urea cocrystal | Packing coefficient | Eform/(kJ·mol-1) | ||
---|---|---|---|---|
Urea | Cocrystal | NH4X | ||
Urea-NH4F | 0.8574 | 0.9541 | 0.5487 | -6.2549 |
Urea-NH4Cl | 0.8574 | 0.9390 | 1.0000 | -40.7346 |
Urea-NH4Br | 0.8574 | 0.9034 | 1.0000 | -34.9912 |
X-(H2O)n | RX—H/nm | DE/(kJ·mol-1) |
---|---|---|
F-(H2O)5 | 0.1669 | -365.6760 |
Cl-(H2O)6 | 0.2287 | -240.5609 |
Br-(H2O)6 | 0.2456 | -249.2675 |
Table 5 Average distance of hydrogen bonds O—H…X in the first hydrated layer and binding energy(DE) of three hydrated ion clusters
X-(H2O)n | RX—H/nm | DE/(kJ·mol-1) |
---|---|---|
F-(H2O)5 | 0.1669 | -365.6760 |
Cl-(H2O)6 | 0.2287 | -240.5609 |
Br-(H2O)6 | 0.2456 | -249.2675 |
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