醇燃料燃燒物中H和O的徑向分布函數和配位數研究

俞聯夢 袁野

摘要：醇含有極性的羥基OH基團，代表式為ROH，R表示烴基。甲醇、乙醇都屬于羥基與烴基中烷基相結合的烷基醇，如甲醇CH3OH是由甲烷CH4中一個氫分子被OH取代而成，它們的通式也可用CnH2n+1OH表示。醇燃料的化學結構，碳原子數少及含較多的氧，是決定其理化性質與燃料特性的重要因素。甲醇能與水無限互溶，輕質、低污染是一種無色、略有臭味、的可燃液體。甲醇結構中無C-C鍵，只含有一個C原子，含氧為50%，是一種較清潔的含氧燃料。

關鍵詞：醇燃料徑向分布函數配位數氫鍵

1引言

由于醇類物質都具有極性，且液態(tài)醇分子間有氫鍵的相互作用，形成締合分子，存在締合作用，這種締合過程是可逆的，且進行締合時放熱，必須給予較多的熱量，才能減弱或破壞這種締合，因此甲醇的汽化潛熱比汽油約大3.6倍。研究醇燃料燃燒物中H-O的徑向分布函數和氫鍵作用能提高醇燃料的開發(fā)和使用。

2 理論方法

本文應用計算機采用分子動力學方法來模擬計算分子間的相互作用，混合的二元溶液分子之間的相互作用的描述是實驗成功的關鍵，重點在于選擇精確的勢能模型。研究發(fā)現，描述CO2分子相互作用的勢能模型有很多，用OPLS勢能模型能準確描述分子相互作用[1-2]?；谥暗难芯拷涷?，在本文中我們采用OPLS模型，分子間的相互作用勢能表示如下

（2-1）式中第一項是靜電相互作用，第二項是短程Lennard-Jones 作用，為分子間的相互作用勢能；代表第個原子或粒子上所帶有的電荷；為原子或粒子與間的距離；和為Lennard-Jones交互作用參數，采用Lorentz-Berthelot規(guī)則計算。

配位數（coordination number）在一定程度上講，配位數的多少，表明了該粒子周圍的粒子分布密度，也能反映該粒子周圍區(qū)域密度的大小。是指某個粒子的最近鄰粒子個數。其計算公式如下：

（2-2）物質液態(tài)時形成氫鍵，某些晶態(tài)甚至氣態(tài)物質之中也存在氫鍵，如氣態(tài)、液態(tài)和固態(tài)的HF中都有氫鍵。常見的具有氫鍵的物質如水、水合物、氨合物、無機酸和某些有機化合物。物質形成氫鍵后，熔、沸點會降低。如分子內有氫鍵作用的鄰硝基苯酚熔點（45℃）比有分子間氫鍵的間位熔點（96℃）和對位熔點（114℃）都低。氫鍵不僅影響物質的溶解度，粘度，密度，熔點、沸點，對物質熔化或氣化時也需要提高溫度來打破分子間的氫鍵作用，因此這些物質的熔點、沸點比同系列氫化物的熔點、沸點要高。在極性溶劑中，HF和HN3在水中的溶解度比較大，是由于溶質分子與溶劑分子之間形成氫鍵，溶質的溶解度會增大。

實驗中采用Nose-Hoover 熱浴法控制溫度，模擬系綜為正則系綜（NVT），起始構型是面心立方晶格，包含500個水和CO2的分子總數。

3 結果分析

本文計算了H2O中的H與CO2中的O形成的 H-O的徑向分布函數和配位數，結果顯示隨著溫度的升高H-O的徑向分布函數呈減小趨勢，配位數呈增大趨勢，說明其氫鍵作用增強，如圖2.8所示。當體系壓強減小，溫度增加時，體系密度增大，H、O之間的距離減小，因而增加了O出現在H周圍的機率，氫鍵作用力增強。在相同溫度448.15K條件下，增加水濃度，H-O配位數減小，這是由于雖然水分子數增加，增大了H、O結合的概率，但體系的壓強是逐漸減小的，H、O之間的距離增大，H、O結合的概率減小，氫鍵作用力減弱。因此可以得出結論：壓強對配位數和氫鍵影響較顯著，溫度和濃度對配位數和氫鍵的影響則較小，增大壓強時配位數和氫鍵的數值都增大。

4 結論

通過結果分析我們可以得出結論，二氧化碳與水之間的配位數與氫鍵作用受壓強作用較溫度與濃度作用明顯，在醇燃料的使用中我們可以利用壓強來改變燃燒物的性質從而提高醇燃料的使用。

參考文獻：

[1] Murthy S F，Oshea，McDonald I R，1983 Mol. Phys. 50 531

[2] Jorgensen W L，1986 J. Chem. Phys. 90 1276