Structure of an aqueous RbCl solution in the gigapascal pressure range by neutron diffraction combined with empirical potential structure refinement modeling

中性子回折とEPSRモデリングを組み合わせることで明らとなったギガパスカル領域におけるRbCl水溶液の構造

Zhang, W. Q.*; 山口 敏男*; Fang, C. H.*; 吉田 亨次*; Zhou, Y. Q.*; Zhu, F. Y.*; 町田 真一*; 服部 高典   ; Li, W.*

Zhang, W. Q.*; Yamaguchi, Toshio*; Fang, C. H.*; Yoshida, Koji*; Zhou, Y. Q.*; Zhu, F. Y.*; Machida, Shinichi*; Hattori, Takanori; Li, W.*

3mol/kgのRbCl水溶液におけるイオンの水和・会合と水素結合した水の構造を、298K/0.1MPa, 298K/1GPa, 523K/1GPa, 523K/4GPaにおける中性子回折と経験的ポテンシャル構造精密化モデリングにより調べた。その結果、構造パラメータは温度と圧力に依存していることがわかった。高圧・高温条件では、RbとClの第二水和層がより明確になる。第一水和層におけるRbの平均酸素配位数は、配位距離を0.290nmから0.288nmに縮めながら、常圧では6.3だったのが、4GPaでは8.9に増加した。第一水和シェルのClの平均酸素配位数は、常圧で5.9、4GPaで9.1と圧力により増加し、対応する配位距離は0.322nmから0.314nmへと減少した。Rbと中心の水分子の第一溶媒和シェルにおける水双極子の配向は圧力に敏感であるが、Clの第一溶媒和シェルにおける水双極子の配向は温度圧力によらずあまり変化しなかった。Rb-Clの隣接イオンペアの数は、温度が高くなると減少し、圧力が高くなると増加する。水分子は密に詰まっており、極限状態では水分子の四面体水素結合ネットワークはもはや存在しない。

The ion hydration and association and hydrogen-bonded water structure in an aqueous 3 mol/kg RbCl solution were investigated at 298 K/0.1 MPa, 298 K/1 GPa, 523 K/1 GPa, and 523 K/4 GPa by neutron diffraction combined with EPSR methods. The second hydration layer of Rb and Cl becomes evident under elevated pressure and temperature conditions. The average oxygen coordination number of Rb (Cl) in the first hydration layer increases from 6.3 (5.9) ambient pressure to 8.9 (9.1) at 4 GPa, while decreasing coordination distance from 0.290 nm (0.322 nm) to 0.288 nm (0.314 nm). The orientation of the water dipole in the first solvation shell of Rb and a central water molecule is sensitive to pressure, but that in the first solvation shell of Cl does not change very much. The number of contact-ion pairs Rb-Cl decreases with elevated temperature and increases with elevated pressure. Water molecules are closely packed, and the tetrahedral hydrogen-bonded network of water molecules no longer exists in extreme conditions.