An X-ray and neutron scattering study of aqueous MgCl solution in the gigapascal pressure range

ギガパスカル圧力領域におけるMgCl水溶液のX線および中性子散乱による研究

山口 敏男*; 福山 菜美*; 吉田 亨次*; 片山 芳則*; 町田 真一*; 服部 高典   

Yamaguchi, Toshio*; Fukuyama, Nami*; Yoshida, Koji*; Katayama, Yoshinori*; Machida, Shinichi*; Hattori, Takanori

圧力0.1MPaから4GPa、温度300Kから500Kにおける2mol/kg MgCl水溶液の構造をX線と中性子散乱測定によって明らかにした。この散乱データを経験的ポテンシャル構造精密化(EPSR)モデリングにより解析し、圧力と温度の関数としてペア分布関数、配位数分布、角度分布、空間密度関数を導出した。Mgは第3殻まで広がったリジッドな溶媒和殻を形成している。つまり、0GPaで約6個の水分子を含む6配位八面体の第1溶媒和殻は、ギガパスカルの圧力領域では、近接イオン対を形成し、約5個の水分子と1個のClとなる。また、Clの溶媒和も、圧力によって大きく変わる。つまり、Clイオンまわりの水分子の配位数は、0.1MPa/300Kでの8から、4GPa/500Kでの10に増加する。また溶媒(水)も、0.1MPa/300Kでの四面体ネットワーク構造から、ギガパスカルの圧力領域では、密に詰まった構造へと変化する。このとき、中心水分子1個まわりの隣接酸素原子数は、0.1MPa/298Kでの4.6個から4GPa/500Kでの8.4個へと徐々に増加する。

We report the structure of an aqueous 2 mol/kg MgCl solution at pressures from 0.1 MPa to 4 GPa and temperatures from 300 to 500 K revealed by X-ray and neutron scattering measurements. The scattering data are analyzed by empirical potential structure refinement (EPSR) modeling to derive the pair distribution functions, coordination number distributions, angle distributions, and spatial density functions as a function of pressure and temperature. Mg forms rigid solvation shells extended to the third shell; the first solvation shell of six-fold octahedral coordination with about six water molecules at 0 GPa transforms into about five water molecules and one Cl due to the formation of the contact ion pairs in the GPa pressure range. The Cl solvation shows a substantial pressure dependence; the coordination number of a water oxygen atom around Cl increases from 8 at 0.1 MPa/300 K to 10 at 4 GPa/500 K. The solvent water transforms the tetrahedral network structure at 0.1 MPa/300 K to a densely packed structure in the GPa pressure range; the number of water oxygen atoms around a central water molecule gradually increases from 4.6 at 0.1 MPa/298 K to 8.4 at 4 GPa/500 K.