温度对甲醇水混合溶液扩散系数的影响

俞联梦

摘 要：本文采用分子动力学方法研究了甲醇水混合溶液的径向分布函数和扩散系数随温度的变化的关系，研究发现扩散系数与实验值符合得很好，且与温度成递增关系。

关键词：甲醇水 扩散系数

中图分类号：O645 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2013）03（c）-0224-01

甲醇水混合物的结构和动力学性质在实验和理论上都已经做了大量的研究。酒精一直是化工领域关注的热点，在酒精中甲醇是最接近水的模型，差别仅仅在于用一个甲基取代水中的一个氢即可形成甲醇，而甲基不参与氢键的形成，相对于氢键的链环结构甲基被认为是区别于水的标志[1]。甲醇被认为是最简单的醇类分子，而水是地球上数量最多的液体，并且在生态圈中扮演着重要的角色，因此也得到了越来越多的关注和研究。甲醇水混合溶液被广泛用于研究亲水团和疏水团的水合作用，它存在一种复杂体系具有的非理想的动力学特性。

1 理论方法

1.1 势能模型及方法

研究显示大多采用OPLS势能模型（液体模拟的优化模型[2]）研究甲醇、水的性质所得结果较为理想。因此本文的模拟工作采用四个粒子作用的OPLS势能模型：TIP4P模型。其任意两个分子间的相互作用遵循以下关系：

具体参数见表1。

1.2 模拟细节

对于表1中给出的每一组模拟参数，分子动力学模拟在周期性边界条件中进行，温度取值155 K，180 K，250 K，298 K，350 K，450 K，550 K，大气压强为1atm。立方盒子的大小取决于常压下的实验密度。为了避免由于静电存在引起的能量间断，所有的模拟计算中使用了10相互作用用于平滑能量的衰减。模拟过程中所取时间步长为2 fs，每次模拟总时间为200 ps，其中前100 ps使体系达到平衡，后100 ps用于统计计算各种性质。

2 结果与讨论

在以下的表述中我们使用C表示甲基群CH3。

自扩散系数：为了研究甲醇水混合流体的动力学性质，我们分别计算了不同甲醇质量分数下甲醇的自扩散系数和水的自扩散系数，所得结果与实验值做了比较如表2所示。在经典模型的模拟[2，4]中很难达到这个值；混合流体中水的自扩散系数总体随着甲醇质量分数的增加而减小。图1为混合溶液中甲醇和水的自擴散系数随温度的变化曲线，如图所示，甲醇和水的扩散系数都随温度的增加而增加，其中水的扩散系数随温度的递增较甲醇随温度的变化显著。

3 结论

通过以上的分析，我们得到如下结论：

随着温度的增加甲醇水的径向分布函数曲线逐渐平缓；模拟的自扩散系数对比先前模拟的结果更接近实验值，混合溶液中水和甲醇的自扩散系数随着温度增加而增加。

参考文献

[1]Susan，K.Allison，J.P.Fox R.H；Simon P.B.Physical Review B 2005，71， 024201.

[2]Wensink，E.J.W.Hoffmann，A.C.J. Chem.Phys.2003，119，14，7308.

[3]Soper，A.K.Finney，J.L.Phys.Rev. Lett.1993，71，4346.

[4]Derlacki，Z.J.Easteal，A.J.Edge，A. V.J.Woolf，L.A.Roksandic，Z.J. Phys.Chem.1985，89，5318.

[5]Dougan，L.Hargreaves，R.；Bates，S.P.Finney，J.L.；Reat，V.；Soper，A.K.；Crain，J.J.Chem.Phys.2005，122，174514.

[6]Price，W.S.；Ide，H.；Arata，Y.J.Phys.Chem.A1999，103，448.

[7]Reimers，J.R.Watts，R.O.；Klein，M.L.Chem.Phys.1982，64，95.

[8]D.vanderS.vanMaaren，P.J.；Berendsen，H.J.C.J.Chem.Phys.1998，108，10220.