Национальный цифровой ресурс Руконт - межотраслевая электронная библиотека (ЭБС) на базе технологии Контекстум (всего произведений: 634794)
Контекстум
.
Известия высших учебных заведений. Серия "Химия и химическая технология"

Известия высших учебных заведений. Серия "Химия и химическая технология" №9 2014 (190,00 руб.)

0   0
Страниц118
ID326373
АннотацияМеждисциплинарное издание, охватывающее подразделы теоретической химии, процессы и аппараты химической технологии. Рассматриваются проблемы на стыке физики и химии и химического аппаратостроения. Журнал публикует обзоры, статьи, краткие сообщения и научно-методические проблемы.
Известия высших учебных заведений. Серия "Химия и химическая технология" .— 2014 .— №9 .— 118 с. : ил. — URL: https://rucont.ru/efd/326373 (дата обращения: 25.04.2024)

Также для выпуска доступны отдельные статьи:
СТРУКТУРА И ЭНЕРГЕТИКА МЕТАНОВЫХ ГИДРАТОВ / Гиричева (90,00 руб.)
ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПРОЦЕССОВ КОМПЛЕКСООБРАЗОВАНИЯ Gd3+С ЭТИЛЕНДИАМИН-N,N'-ДИЯНТАРНОЙ КИСЛОТОЙ В ВОДНЫХ РАСТВОРАХ ПРИ 298.15 К / Лыткин (90,00 руб.)
ИЗУЧЕНИЕ БИОЛОГИЧЕСКОЙ АКТИВНОСТИ НОВЫХ ФТОРАЛКИЛЬНЫХ ПРОИЗВОДНЫХ ТЕТРАФЕНИЛПОРФИРИНОВ / Дмитриев (90,00 руб.)
ИССЛЕДОВАНИЕ РЕАКЦИИ ГАЗИФИКАЦИИ ГРАФИТА В ПРИСУТСТВИИ АКТИВИРУЮЩИХ ДОБАВОК / Колесников (90,00 руб.)
СТРУКТУРНО-ФАЗОВАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА БОРОСИЛИКАТНОГО ПОКРЫТИЯ / Ястребинский (90,00 руб.)
ВЛИЯНИЕ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ПЛАЗМЫ НА КАТАЛИТИЧЕСКУЮ АКТИВНОСТЬ МОДИФИЦИРОВАННЫХ ПОЛИМЕРНЫХ ВОЛОКОН / Родичева (90,00 руб.)
КВАНТОВО-ХИМИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ТЕРМОДИНАМИКИ РЕАКЦИЙ ПРОДУКТОВ ОКИСЛЕНИЯ ПОЛИИЗОПРЕНА С КРЕМНЕКИСЛОТНЫМ НАПОЛНИТЕЛЕМ / Овсянникова (90,00 руб.)
КАТАЛИТИЧЕСКОЕ ГИДРИРОВАНИЕ ФУРФУРОЛА / Стригина (90,00 руб.)
РЕАКЦИОННАЯ СПОСОБНОСТЬ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ ГРУПП АЗОТНОКИСЛЫХ ЭФИРОВ ЦЕЛЛЮЛОЗЫ / Романова (90,00 руб.)
ХЛОРОСУЛЬФОНИЛИРОВАНИЕ 4-ИЗОПРОПЕНИЛ- И 4-(1-ЦИКЛОГЕКСЕНИЛ)- БЕНЗОЙНЫХ КИСЛОТ / Юровская (90,00 руб.)
ИССЛЕДОВАНИЕ ЖЕЛЕЗООКСИДНОГО КАТАЛИЗАТОРА К2О nFe2O3. III. ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОЕ ВОССТАНОВЛЕНИЕ КАТАЛИЗАТОРА / Киселев (90,00 руб.)
ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ И СТРУКТУРНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ САМОАССОЦИИРОВАННЫХ АМИНОСПИРТОВ / Титова (90,00 руб.)
АССОЦИАЦИЯ СУЛЬФОПРОИЗВОДНЫХ ФТАЛОЦИАНИНА Сo(II) И Cu(II) В ПРИСУТСТВИИ КРЕАТИНИНА / Воронина (90,00 руб.)
КООРДИНАЦИОННЫЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ СИСТЕМЫ ГЛЮКОЗАМИНА ГИДРОХЛОРИД – ГЛЮКОЗАМИН С ИОНАМИ D-МЕТАЛЛОВ / Смирнов (90,00 руб.)
ОКИСЛИТЕЛЬНАЯ ДЕСТРУКЦИЯ АРАБИНОГАЛАКТАНА И ЕГО КОМПЛЕКСООБРАЗОВАНИЕ С УРАЦИЛАМИ / Борисова (90,00 руб.)
РЕНТГЕНОГРАФИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ БИМОДАЛЬНОЙ СТРУКТУРЫ КРИСТАЛЛИТОВ В ПОЛИПРОПИЛЕНОВЫХ НИТЯХ / Завадский (90,00 руб.)
ВЫБОР ПОЛИМЕРНОГО СВЯЗУЮЩЕГО ДЛЯ СОЗДАНИЯ БИОДЕГРАДИРУЕМОЙ ПОЛИМЕРНОЙ КОМПОЗИЦИИ / Полякова (90,00 руб.)
ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯ НОВЫХ ФОРМ ФОСФОРСОДЕРЖАЩИХ БИОУДОБРЕНИЙ / Усманов (90,00 руб.)
КОРРОЗИОННАЯ СТОЙКОСТЬ ВЫСОКОЕМКОЙ АЛЮМИНИЕВОЙ ФОЛЬГИ В ИМИДАЗОЛЬНЫХ ИОННЫХ ЖИДКОСТЯХ / Гришина (90,00 руб.)
ПЕРЕРАБОТКА ОБОРОТНЫХ РАСТВОРОВ ПРОИЗВОДСТВА ТЕТРАФТОРИДА УРАНА / Смирнов (90,00 руб.)
КРЕМНИЙОРГАНИЧЕСКАЯ КОМПОЗИЦИЯ ДЛЯ ЗАЩИТЫ ИЗДЕЛИЙ ЭЛЕКТРОННОЙ ТЕХНИКИ С ПОВЫШЕННЫМИ АДГЕЗИОННЫМИ СВОЙСТВАМИ И ТЕРМО- И МОРОЗО- СТОЙКОСТЬЮ ПОКРЫТИЙ / Неелова (90,00 руб.)
РЕОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПОЛИМЕРНЫХ РАСТВОРОВ С ТВЕРДЫМИ НАПОЛНИТЕЛЯМИ НА ОСНОВЕ ОТХОДОВ РАСТЕНИЕВОДСТВА ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ НАНОСТРУКТУРИРОВАНЫХ ФИЛЬТРАЦИОННЫХ МЕМБРАН / Седелкин (90,00 руб.)
ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ДИНАМИКИ РЕЗИНОВОЙ ПЛАСТИНЫ ПРИ ИМПУЛЬСНОМ НАГРУЖЕНИИ / Лежнина (90,00 руб.)
МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА АЛКИЛИРОВАНИЯ ИЗОБУТАНА БУТИЛЕНАМИ В АППАРАТЕ РЕАКЦИОННО-РЕКТИФИКАЦИОННОГО ТИПА / Зернов (90,00 руб.)
ОЦЕНКА КОЭФФИЦИЕНТА НЕОДНОРОДНОСТИ ЗЕРНИСТОЙ СМЕСИ В ОБЪЕМЕ БАРАБАННО-ЛЕНТОЧНОГО УСТРОЙСТВА / Капранова (90,00 руб.)
МЕЖДУНАРОДНАЯ НАУЧНО-ПРАКТИЧЕСКАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ «ЛОГИСТИКА И ЭКОНОМИКА РЕСУРСОСБЕРЕЖЕНИЯ И ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЯ В ПРОМЫШЛЕННОСТИ» (МНПК «ЛЭРЭП-8-2014») / (90,00 руб.)

Предпросмотр (выдержки из произведения)

В работе выполнены исследования изменения энергии образования гидратных оболочек H2O [512] и H2O [62512], метановых клатратов CH4·H2O [512] и CH4·H2O [62512], а также геометрических параметров молекул Н2O в оболочках и инкапсулированных молекул СH4 при изменении размеров каркаса оболочек с помощью квантово-химических расчетов методом DFT. <...> Определены оптимальные размеры гидратных оболочек, энергии инкапсулирования метана, энергия водородных связей. <...> Ключевые слова: метановые гидраты, структура клатратов, гидратные оболочки, квантовохимические расчеты ВВЕДЕНИЕ Метановые гидраты широко распространены на дне мирового океана и на других планетах и их спутниках. <...> Данная работа посвящена анализу изменения энергии образования гидратных оболочек H2O [512] и H2O [62512] и энергии водородных связей при изменении размеров оболочек, а также аналогичных характеристик клатратов с молекулой метана, помещенной в эти оболочки. <...> Квантовохимически рассчитаны зависимости электронной энергии комплексов H2O [512], CH4·H2O [512], и, впервые, комплексов H2O [62512] и CH4·H2O [62512] от их размеров; определены оптимальные геометрические параметры кластеров. <...> В отдельных работах выполнялись сравнения свойств малого H2O [512] и большого H2O [62512] каркасов и клатратов, строение которых было заимствовано из работы [25], в которой была определена кристаллическая структура метангидратов. <...> 9 гидратной оболочки H2O [512] предполагалось, что она сохраняет строение правильного додекаэдра (атомы О в вершинах), а оболочка H2O [62512] сохраняет одинаковые расстояния О…О, как в двух правильных шестиугольниках, так и в 12 одинаковых пятиугольниках. <...> 9 Однако вне зависимости от метода расчета, энергия связи «CH4 – гидратная оболочка» оказывается малой и составляет величину в несколько ккал/моль, и не является препятствием для практически свободного перемещения молекулы CH4 в центральной части оболочки. <...> Методом потенциометрического титрования [5] было исследовано взаимодействие ЭДДЯК с Gd3+ при 298 <...>
Известия_высших_учебных_заведений._Химия_и_химическая_технология_№9_2014.pdf
Т 57 (9) ИЗВЕСТИЯ ВЫСШИХ УЧЕБНЫХ ЗАВЕДЕНИЙ ХИМИЯ И ХИМИЧЕСКАЯ ТЕХНОЛОГИЯ 2014 УДК: 544.01: 54.112 2 Московский государственный университет тонких химических технологий им. М.В. Ломоносова, 3 Институт проблем лазерных и информационных технологий РАН, Н.И. Гиричева1, А.А. Ищенко2, В.И. Юсупов3,4,5, В.Н. Баграташвили3, Г.В. Гиричев6 СТРУКТУРА И ЭНЕРГЕТИКА МЕТАНОВЫХ ГИДРАТОВ (1 Ивановский государственный университет, 4 Национальный исследовательский Томский политехнический университет, 5 Тихоокеанский океанологический институт им. В.И. Ильичева ДВО РАН, 6 Ивановский государственный химико-технологический университет) e-mail: girichev@isuct.ru Сведения о стабильности и физико-химических свойствах структуры кристаллических метановых гидратов важны для моделирования возможных последствий «метановой катастрофы», связанной с ускоряющимся выбросом метана в атмосферу из разлагающихся газогидратов на шельфе Арктики, оценки перспективы создания зеленых технологий, таких как добыча природного газа из морских метановых гидратов и, одновременно, захоронение углекислого газа в виде гидратов. В работе выполнены исследования изменения энергии образования гидратных оболочек H2O [512] и H2O [62512], метановых клатратов CH4·H2O [512] и CH4·H2O [62512], а также геометрических параметров молекул Н2O в оболочках и инкапсулированных молекул СH4 при изменении размеров каркаса оболочек с помощью квантово-химических расчетов методом DFT. Определены оптимальные размеры гидратных оболочек, энергии инкапсулирования метана, энергия водородных связей. Ключевые слова: метановые гидраты, структура клатратов, гидратные оболочки, квантовохимические расчеты ВВЕДЕНИЕ Метановые гидраты широко распространены на дне мирового океана и на других планетах и их спутниках. Поэтому данные соединения представляют большой интерес в плане изучения и сохранения окружающей среды, глобального изменения климата, энергетических ресурсов и космохимии. Сведения о стабильности и физикохимических свойствах структуры кристаллических метановых гидратов важны для моделирования возможных последствий «метановой катастрофы» [1], связанной с ускоряющимся выбросом метана в атмосферу из разлагающихся газогидратов на шельфе Арктики [2], оценки перспективы создания зеленых технологий, таких как добыча природного газа из морских метановых гидратов и, одновременно, захоронение углекислого газа в виде гидратов [3]. Однако некоторые аспекты, связанные с их стабильностью, спектроскопическими и другими физико-химическими свойствами остаются во многом непонятными. Экспериментальное изучение гидратов метана встречается с целым рядом трудностей, поэтому теоретические исследования методами компьютерной и квантовой химии могут быть очень полезными для понимания и интерпретации экспериментальных данных. В большинстве теоретических работ для описания свойств гидратных кластеров, механизмов их образования, и разложения, а также колебательных спектров инкапсулированных молекул использовались классические методы молекулярной динамики (МД) с различными силовыми полями [4-14]. За последнее десятилетие появилось много работ, авторы которых использовали квантовохимические методы для определения энергии взаимодействия между молекулами воды, а также между молекулами воды и метана с целью дальХИМИЯ И ХИМИЧЕСКАЯ ТЕХНОЛОГИЯ 2014 том 57 вып. 9 3
Стр.1
нейшего их использования в расчетах методами МД при моделировании свойств кластеров. Эффективность таких потенциалов парных взаимодействий изучалась несколькими группами [15-19]. Альтернативный путь состоит в прямом использовании ab initio и DFT методов для описания свойств кластеров определенной структуры, состоящих из молекул воды и метана [20-24]. Данная работа посвящена анализу изменения энергии образования гидратных оболочек H2O [512] и H2O [62512] и энергии водородных связей при изменении размеров оболочек, а также аналогичных характеристик клатратов с молекулой метана, помещенной в эти оболочки. Квантовохимически рассчитаны зависимости электронной энергии комплексов H2O [512], CH4·H2O [512], и, впервые, комплексов H2O [62512] и CH4·H2O [62512] от их размеров; определены оптимальные геометрические параметры кластеров. Ни в одной из работ, посвященных теоретическому исследованию перечисленных кластеров, систематического анализа изменения свойств кластеров с изменением их размеров не проводилось. В отдельных работах выполнялись сравнения свойств малого H2O [512] и большого H2O [62512] каркасов и клатратов, строение которых было заимствовано из работы [25], в которой была определена кристаллическая структура метангидратов. Однако, полученные при таком подходе свойства, не относящиеся к равновесной структуре, плохо подходят для сравнительного анализа. Следует отметить, что при полной оптимизации геометрических параметров комплексов происходит искажение их правильной структуры, возникновение неравноценных водородных связей (ВС) между отдельными фрагментами комплексов, а объем, который получается при оптимизации геометрии свободных каркасов H2O [512] и H2O [62512] в результате квантово-химических расчетов, формально не соответствует объему каркаса в кристалле. Более того, при определении равновесной конфигурации кластеров возникают большие трудности со сходимостью процедуры полной геометрической оптимизации. Детали квантово-химических расчетов Для определения потенциальных функций каркасов и клатратов, а также изменения энергии их образования из молекул при растяжении-сжатии оболочки H2O [512] и H2O [62512] выполнен ряд расчетов с функционалами DFT-градиент-корреляционным функционалом Педью, Буке и Эрзенхофа с поправками на большие расстояния LC-wPBE [2629] и базисным набором 6-311+G(d,p) [30], а также гибридным обменно-корреляционным функционалом Гримма с дисперсионной поправкой B97-D 4 [31] и базисным набором 6-311++G(2d,2p) [30], предсказывающими существенно разную интенсивность межмолекулярного взаимодействия в рассматриваемых оболочках и клатратах. Из всех возможных изомеров кластеров нами смоделированы структуры гидратов, показанные на рис. 1, в которых концевые связи ОНконц наиболее равномерно распределены по поверхности додекаэдра H2O [512] и тетракаидекаэдра H2O [62512]. [62512] (III) и клатратов CH4·H2O [512] (II) и CH4·H2O [62512] (IV) Fig.1. The structures of hydrate shells of H2O [512] (I) and H2O [62512] (III) and clusters of CH4·H2O [512] (II) and CH4·H2O [62512] (IV) Рис. 1. Структуры гидратных оболочек H2O [512] (I) и H2O ХИМИЯ И ХИМИЧЕСКАЯ ТЕХНОЛОГИЯ 2014 том 57 вып. 9
Стр.2
гидратной оболочки H2O [512] предполагалось, что она сохраняет строение правильного додекаэдра (атомы О в вершинах), а оболочка H2O [62512] сохраняет одинаковые расстояния О…О, как в двух правильных шестиугольниках, так и в 12 одинаковых пятиугольниках. Сканируемым параметром являлось расстояние между атомами кислорода (и зависящая от него величина h от центра каркаса до центра пятиугольной/шестиугольной грани), при этом варьируемыми параметрами являлись длины связей О-Нмост, О-Нконц, валентные углы Нмост-О-Нмост, Нмост-О-Нконц молекул Н2О, а в клатратах также расстояние С-Н молекулы СН4. Одна из связей С-Н молекулы метана ориентирована в центр верхней грани каркаса. Отметим, что наложение данных ограниПри моделировании изменений размеров чений на геометрию каркаса приближает его строение к структуре, реализующейся в природном метановом гидрате [25]. Кроме того, введенные ограничения позволили провести геометрическую оптимизацию структур, дополненную расчетом частот колебаний методами DFT/LC-wPBE и DFT/B97-D. Для таких нежестких систем, как рассматриваемые гидраты и клатраты, поверхность потенциальной энергии (ППЭ) имеет многочисленные локальные минимумы, связанные с разным относительным расположением отдельных молекул воды и метана в кластере, вследствие чего вероятен переход из окрестности одного локального минимума в окрестность другого при оптимизации геометрических параметров. В результате чего при минимальном изменении энергии системы геометрические параметры изменяются существенно, а сходимость процедуры ССП не достигается. Трудности, связанные с полной оптимизацией всех геометрических параметров кластера, отмечались во многих теоретических работах. Процедура оптимизации, использованная нами с отмеченными ограничениями, практически всегда была успешной. Изменение энергетических характеристик гидратов H2O [512], H2O [62512] и клатратов CH4·H2O [512], CH4·H2O [62512] при изменении их размеров На рис. 2 приведены зависимости относительной полной электронной энергии гидратных каркасов и соответствующих клатратов от расстояния О…О, полученные методом B97D/6-311++G(2d,2p). Пунктирными линиями показана энергия соответствующих совокупностей невзаимодействующих молекул. Минимум энергии соответствует значениям r(O…O)=2.8 Е во всех четырех комплексах. Наличие/отсутствие молекулы СН4 в центре гидратной оболочки не приводит к каким-либо заметным изменениям вида потенциальной функции. Наличие СН4 заметно повышает относительную энергию клатратов, лишь когда r(O…O) становится меньше 2.6 Е и больше 3.0 Å. а б Рис. 2. Зависимости относительной электронной энергии гидратных каркасов и соответствующих клатратов от расстояния О…О Fig. 2. Relative electron energy of hydrate shells and corresponding clathrates vs. internuclear distance O…O Данные зависимости свидетельствуют о том, что определяющими взаимодействиями в каждой их четырех структур являются взаимодействия между молекулами воды и их стремление находиться на определенном расстоянии друг от друга независимо от геометрии и объема каркаса H2O [512] или H2O [62512] и наличия или отсутствия такого симметричного гостя, как молекула СН4. При этом, для их оптимальной геометрии, заметное отличие в расстоянии С…О, которое составляет 3.92 Е в малом клатрате и 4.24 и 4.41 Е в большом, не является существенным фактором. Аналогичные зависимости U(rO…O) получены при расчетах методом LC-wPBE/6-311+G(d,p). В табл. 1 и 2 сравниваются энергетические и геометрические характеристики четырех рассматриваемых кластеров, рассчитанные разными методами. ХИМИЯ И ХИМИЧЕСКАЯ ТЕХНОЛОГИЯ 2014 том 57 вып. 9 5
Стр.3