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配體結(jié)構(gòu)對(duì)鈾配位性能影響的理論研究

2016-09-09 07:10:52匙芳廷魏貴林易發(fā)成
核化學(xué)與放射化學(xué) 2016年4期
關(guān)鍵詞:電子云重點(diǎn)學(xué)科綿陽

匙芳廷,文 君,熊 潔,胡 勝,魏貴林,易發(fā)成

1.西南科技大學(xué),核廢物與環(huán)境安全國防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室,四川 綿陽 621010;2.中國工程物理研究院 核物理與化學(xué)研究所,四川 綿陽 621900

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配體結(jié)構(gòu)對(duì)鈾配位性能影響的理論研究

匙芳廷1,2,文君2,*,熊潔2,胡勝2,魏貴林1,易發(fā)成1

1.西南科技大學(xué),核廢物與環(huán)境安全國防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室,四川 綿陽621010;2.中國工程物理研究院 核物理與化學(xué)研究所,四川 綿陽621900

海水提鈾;密度泛函;配體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);分子軌道

1 計(jì)算方法

2 結(jié)果與討論

2.1幾何結(jié)構(gòu)優(yōu)化

(1)

圖2 配體的構(gòu)型Fig.2 Geometric configuration of ligands

2.2熱力學(xué)參數(shù)、配位穩(wěn)定常數(shù)

配離子(配原子)的配位穩(wěn)定常數(shù)用K來表示,配位穩(wěn)定常數(shù)越大,形成配離子(配原子)越穩(wěn)定。配合物的形成過程可以簡(jiǎn)單的理想化為反應(yīng)式(2)。

(2)

通過計(jì)算配位過程中焓變(ΔH)、熵變(ΔS)、熱力學(xué)能變(ΔU)、吉布斯自由能(ΔG)和配位穩(wěn)定常數(shù)(lgK),進(jìn)一步比較了配合物的穩(wěn)定性,上述參數(shù)列入表3。ΔH、ΔG和lgK可以用公式(3)—(5)求得。

(3)

(4)

(5)

表3配合物[UO2(Ax)(H2O)3]+的熱力學(xué)參數(shù)與配位穩(wěn)定常數(shù)

Table 3Thermodynamic parameters and coordination stability constants of uranyl ligand complexes([UO2(Ax)(H2O)3]+)

配體類型氣態(tài)ΔS/(cal·mol-1·K-1)ΔU/(kcal·mol-1)ΔH/(kcal·mol-1)ΔG/(kcal·mol-1)lgKk2-A1-135.8927.969-245.219-204.72335.897k2-A2-126.6658.553-458.861-421.11573.840k2-A3-127.4028.952-469.399-431.43375.649k2-A4-140.0587.839-448.537-406.80071.330η2-A4-125.2969.240-466.554-429.21675.260配體類型水溶液ΔS/(cal·mol-1·K-1)ΔU/(kcal·mol-1)ΔH/(kcal·mol-1)ΔG/(kcal·mol-1)lgKk2-A1-130.117.485-82.063-43.2907.590k2-A2-129.6976.779-126.612-87.96215.424k2-A3-127.7456.754-137.049-98.98117.356k2-A4-123.8668.323-119.726-82.81414.521η2-A4-120.9558.395-136.974-100.92917.697

2.3分子軌道

(a)——[UO2(η2-A4)(H2O)3]+,(b)——[UO2(k2-A1)(H2O)3]+,(c)——[UO2(k2-A2)(H2O)3]+,(d)——[UO2(k2-A3)(H2O)3]+,(e)——[UO2(k2-A4)(H2O)3]+ OLP:氧原子的孤對(duì)電子;NLP:氮原子的孤對(duì)電子;π(N-O):N-O形成的π鍵 圖3 配合物[UO2(Ax)(H2O)3]+典型的分子軌道(MO)Fig.3 Representative diagram of molecular orbital of [UO2(Ax)(H2O)3]+ complexes

[UO2(Ax)(H2O)3]+軌道能量/eV分子軌道(MO)分子軌道主要組成[UO2(η2-A4)(H2O)3]+-8.558OLP,π(N-O)1δuOpz,Npz,Ufz-10.140π(N-O)3σuOpz,Npz,Uf3z-10.192OLP,NLP1φuOpx,Opy,Ufx-11.165OLP3σuNpz,Opz,Cpz,Uf3z-11.319π(N-O)2πuOpx,Opy,Npx,Uf2zx,Uf2zy-11.6162πuOpx,Opy,Uf2zx,Uf2zy-13.108π(N-O)1πg(shù)Opz,Cpz,Npz,Ud3z[UO2(k2-A1)(H2O)3]+-15.460OLP2σgOpx,Npx,Ufx,Uf2zx-17.012OLP1σgOpz,Udxz[UO2(k2-A2)(H2O)3]+-10.994N-OLPσgUf3z,Opz-12.047C=OLPσgOpx,Opy,Uf2zx,Uf2zy-12.049N-OLPσgOpx,Opy,Opz,Uf2zx,Uf2zy-12.356N-OLPσgOpz,Opx,Opy,Ud2z,Uf2zx-12.629C=OLPσgOpx,Opy,Opz,Udyz,Udxz[UO2(k2-A3)(H2O)3]+-10.651NLPσgUf3z,Npz-10.798OLPσgNpz,Uf3z,Ufz,Uf2zy-11.798OLPσgOpx,Opy,Uf2zy,Uf2zx-11.853NLPσgNpx,Uf2zx[UO2(k2-A4)(H2O)3]+-10.840OLPσgUf3z,Opz-11.934NLPσgNpy,Uf2zy-13.100π(N-O)1πg(shù)Udzy,Opy,Npz

由圖3(e)可知,與[UO2(η2-A4)(H2O)3]+相比,π電子云沒有有效地與U軌道重疊,只有Opz軌道重疊形成σ鍵,同時(shí)N連有兩個(gè)H因此電子云密度低于[UO2(k2-A3)(H2O)3]+中A3的N的電子云密度,綜合兩個(gè)因素,k2-A4與U配位能力低于η2-A4和k2-A3。

通過分析配合物典型的成鍵分子軌道,得到配位原子O或N主要成鍵軌道為p軌道,中心原子主要成鍵軌道為d、f軌道;當(dāng)配體螯合構(gòu)型配位時(shí),主要形成σ鍵,當(dāng)配位原子的鄰位是給電子基團(tuán)時(shí)有利于σ鍵的形成;配體π電子云重疊成鍵時(shí),π鍵周圍有給電子時(shí)有利于配位;因此容易與U配位的是k2-A3和η2-A4,分子軌道分析與水溶液條件下配位常數(shù)lgK計(jì)算結(jié)果一致。

3 結(jié) 論

(3) 通過熱力學(xué)參數(shù)、分子軌道分析,當(dāng)配體螯合構(gòu)型(k2)配位時(shí),主要形成σ鍵,當(dāng)配位原子的鄰位是給電子基團(tuán)時(shí)有利于σ鍵的形成;當(dāng)配體π電子云重疊成鍵時(shí),π鍵周圍有給電子基并能形成共軛時(shí)有利于配位;因此容易與U配位的是k2-A3和η2-A4,與水溶液條件下配位常數(shù)lgK計(jì)算結(jié)果一致。

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Density Functional Theory Study on Selective Complexation of Uranyl(Ⅵ) With Ligands Possessing Different Configuration

CHI Fang-ting1,2, WEN Jun2,*, XIONG Jie2, HU Sheng2, WEI Gui-lin1, YI Fa-cheng1

1.Fundamental Science on Nuclear Wastes and Environmental Safety Laboratory,Southwest University of Science and Technology, Mianyang 621010, China;2.Institute of Nuclear Physics and Chemistry, China Academy of Engineering Physics, Mianyang 621900, China

recovery uranium from seawater; density functional theory; designation of ligand structure; molecular orbital

2015-09-11;

2015-11-19

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(21401152);西南科技大學(xué)博士研究基金項(xiàng)目(13zx7130);西南科技大學(xué)核廢物與環(huán)境安全國防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室預(yù)研項(xiàng)目(15yyhk08);西南科技大學(xué)核廢物與環(huán)境安全國防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目(14tdhk01)

匙芳廷(1982—),女,山東聊城人,博士,副教授,從事海水提鈾吸附劑研究與放射性廢物處理研究

*通信聯(lián)系人:文君(1985—),男,四川樂山人,副研究員,放射化學(xué)專業(yè),E-mail: junwen@caep.cn

TL941

A

0253-9950(2016)04-0238-09

10.7538/hhx.2016.38.04.0238

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