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研究生: 陳建成
Chen, Jian-cheng
論文名稱: 乙醇及三氟乙醇在BMIPF6中物理狀態之分子模擬
Molecular simulations of the physical states of Ethanol and 2,2,2-trifluoroethanol in 1-butyl-3-methylimidazolium hexafluorophoasphate
指導教授: 施良垣
Shy, Liang-Yuan
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 理學院 - 化學系碩士在職專班
Department of Chemistry (on the job class)
論文出版年: 2009
畢業學年度: 97
語文別: 中文
論文頁數: 94
中文關鍵詞: 導電擴散三氟乙醇乙醇BMIPF6分子動力模擬
外文關鍵詞: diffusion, ethanol, trifluoroethanol, Molecular dynamics simulations, BMIPF6, conductivity
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  • 本篇以分子動力方法模擬稀釋劑(三氟乙醇、乙醇)分別加入離子液體BMIPF6 後的擴散及導電性質,模擬之溫度為300 K,稀釋劑之莫耳分率分別為0.25、0.45和0.65,並以微觀的角度探討稀釋劑與BMI+、PF6-之作用力。
    結果顯示,模擬之擴散係數與比導電度值均隨著稀釋劑的含量增加而上升,且與實驗值相當接近。含三氟乙醇系統之離子擴散速率較快,這可能是因為CF3CH2OH之介電常數與體積較大所致。
    當稀釋劑為三氟乙醇時,羥基之O原子與BMI+離子之H2 原子(五圓環上兩個氮之間的氫原子)會產生氫鍵,且羥基之H原子也會與PF6-離子之F原子產生氫鍵。這些氫鍵作用力均較稀釋劑為乙醇時大,此結果與核磁共振所測得之H2的化學位移較down field的傾向一致。在PF6-離子之F原子的化學位移也發現類似的結果。
    自由陽離子與陰離子之比率隨稀釋劑含量之增加而上升,其中以三氟乙醇之效果較好。BMI+ 離子周圍第一殼層PF6-之配位數隨稀釋劑含量之增加而減少,但稀釋劑配位數則遞增,其中以加入三氟乙醇時最大,可能是因為三氟乙醇與BMI+ 離子之氫鍵作用力較大所致。
    依據這些分子模擬,本篇描繪出BMI+周圍環境示意圖。這些圖清楚說明離子與稀釋劑的分布情形,對於實驗極具參考價值。

    Molecular dynamics simulations have been used to study the diffusion and conductivity properties for diluent 2,2,2-trifluoroethanol (CF3CH2OH) and ethanol (CH3CH2OH) in ionic liquid 1-butyl-3-methylimidazolium hexafluorophosphate (BMIPF6) at 300 K with diluent mole fraction of 0.25, 0.45 and 0.65. The interactions between BMI+ and PF6- ions were explored from a microscopic point of view.
    The simulated diffusion coefficients and specific conductivities increase with the increase of diluent content, the values of which agree well with experiments. The diffusion rate of ions is faster in CF3CH2OH containing system, probably due to large dielectric constant and molecular volume of diluent.
    In CF3CH2OH containing system, the oxygen atom of hydroxyl group forms hydrogen bond with H2 atom (the hydrogen atom between two nitrogen atoms of five-membered ring) of BMI+ ion.The hydrogen bond is also formed between the hydrogen atom of hydroxyl group and fluorine atom of PF6- ion. These interactions are stronger than those in ethanol containing system. The result is consistent with the observed downfield tendency of H2 chemical shift from nuclear magnectic resonance. Similar result is also obtained for the chemical shift of fluorine atom of PF6- ion.
    The fraction of free cation and anion increases with the diluent content, whose value is relatively large for CF3CH2OH containing system.
    The number of coordinating PF6- ions around BMI+ ion drecreases with the addititon of diluent. By contrast, the number of coordinating diluent molecules around BMI+ increases. The substitution effect is most pronounced as CF3CH2OH is added, due to it’s strong hydrogen bond ing ability with H2 atom of BMI+ ion.
    Based on this work, the surroundings around the BMI+ ion is now clear, which is believed to be helpful for the microscopic explanation of experimental observations.

    合格書……………………….I 中文摘要……………………….II 英文摘要……………………….IV 致謝……………………….VI 目錄……………………….VII 表目錄……………………….IX 圖目錄……………………….XI 第一章 緒論……………………….1 第二章 電腦模擬……………………….7 2-1 分子動力模擬……………………….7 2-2 模擬系統……………………….8 2-3 力場……………………….9 第三章 結果與討論……………………….18 3-1 擴散係數與比導電度……………………….18 3-2 徑向分佈函數(原子)、配位數與自由離子機率之探討………………36 3-3 徑向分佈函數(質心)、配位數與配位機率之探討……………………54 3-4 離子群的分析……………………….77 第四章 結 論……………………….85 附圖……………………….86 參考文獻……………………….93 表目錄 表1-1 ㄧ般鹽類之熔點……………………….1 表 2-1 稀釋劑的物理性質……………………….8 表2-2模擬條件……………………….9 表2-3 PCFF位能函數表……………………….10 表2-4 BMIPF6之原子部分電荷……………………….12 表2-5 CF3CH2OH之原子部分電荷……………………….13 表2-6 CH3CH2OH之原子部分電荷……………………….13 表2-7 分子群組之設定……………………….14 表3-1 溫度300 K時,純BMIPF6系統之均方位移圖之虛線斜率、截距與相關係數……………………….20 表3-2 純的BMIPF6系統之擴散係數值……………………….20 表3-3純BMIPF6系統之總體均方位移圖之虛線斜率、截距與相關係數……22 表3-4純BMIPF6系統之總體擴散係數Dcoll與比導電度σ……………………….22 表3-5 含CF3CH2OH系統之均方位移圖之虛線斜率、截距與相關係數…………26 表3-6 含CF3CH2OH系統之擴散係數值 ………………………. ………………26 表3-7 含CH3CH2OH系統均方位移圖之虛線斜率、截距與相關係數 ………..29 表3-8 含CH3CH2OH系統之擴散係數………………………. …………………29 表3-9 含CF3CH2OH與CH3CH2OH系統之總體均方位移圖之虛線斜率、截距與 相關係數………………………. ………………………. ………………………34 表3-10 含CF3CH2OH與CH3CH2OH系統之總體擴散係數模擬值Dcoll與比導電度值σ………………………. ………………………. ………………………. …………34 表3-11 含CF3CH2OH系統之自由離子機率………………………. ………….46 表3-12 含CH3CH2OH系統之自由離子機率………………………. …………53 表3-13 含CF3CH2OH系統之BMI+ 周圍之配位數表………………………...62 表3-14 含CH3CH2OH系統之BMI+ 周圍之配位數表………………………..72 表3-15 稀釋劑莫耳分率為0.45時BMI+周圍之配位數表……………………75 表3-16 離子群之比率………………………. ………………………………….79 表3-17 小離子群之分析表………………………. ………………………. …...80 圖目錄 圖1-1 離子液體之結構式……………………….…………………………………3 圖1-2 離子液體中常見的陰陽離子………………………. ……………………...5 圖1-3純BMIPF6系統,H10對氟原子之俓向分布函數圖……………………...6 圖3-1 溫度300 K時,純BMIPF6系統之BMI +與 PF6- 離子均方位移圖 …19 圖3-2 溫度300 K時,純BMIPF6系統之總體均方位移圖……………………21 圖3-3 溫度300 K,CF3CH2OH莫耳分率為0.25時之均方位移圖…………...25 圖3-4 溫度300 K時,CF3CH2OH莫耳分率之改變對於擴散係數之影響…...27 圖3-5 溫度300 K時,CH3CH2OH莫耳分率為0.25時之均方位移圖 ……….28 圖3-6 溫度300 K 時,CH3CH2OH莫耳分率之改變對於擴散係數之影響 ….30 圖3-7 溫度300 K時,稀釋劑種類改變時,對於BMI和PF6- 離子擴散係數模擬值之影響……………………….……………………….……………………….31 圖3-8 含CF3CH2OH 系統之總體均方位移圖……………………………….32 圖3-9 含CH3CH2OH系統之總體均方位移圖……………………………….33 圖3-10 溫度300 K時,稀釋劑種類之改變時,對於比導電度的影響……..35 圖3-12 純BMIPF6系統之BMI+之H2對PF6-之F之徑向分佈函數圖……..37 圖3-13 含CF3CH2OH系統之BMI+之H2對PF6-之F之徑向分佈函數圖 ...40 圖3-14 含CF3CH2OH系統之BMI+之H4對CF3CH2OH之F之徑向分佈函數圖………………………. ………………………. ………………………. ………41 圖3-15 含CF3CH2OH系統之BMI+之H5對CF3CH2OH之F之徑向分佈函數圖………………………. ………………………. ………………………. ………42 圖3-16 含CF3CH2OH系統之BMI+之H2對稀釋劑之F之徑向分佈函數圖43 圖3-17 含CF3CH2OH系統之BMI+之H2對稀釋劑之O之徑向分佈函數圖44 圖3-18 含CF3CH2OH系統之PF6─之F對稀釋劑之H之徑向分佈函數圖 45 圖3-19 含CF3CH2OH系統之平均自由離子機率圖………………………...46 圖3-20含CH3CH2OH系統之BMI+之H2對PF6─之F之徑向分佈函數圖 47 圖3-21 含CH3CH2OH系統之BMI+之H2對稀釋劑之O之徑向分佈函數圖48 圖3-22 含CH3CH2OH系統之PF6─之F對稀釋劑之H之徑向分佈函數圖 ..49 圖3-23 稀釋劑莫耳分率為0.45時,稀釋劑之O對H2之徑向分佈函數圖...50 圖3-24 含CF3CH2OH系統之F對BMI+之H14與H16之徑向分佈函數圖...51 圖3-25 含CF3CH2OH系統之O對BMI+之H14與H16之徑向分佈函數圖 ..52 圖3-26 含CH3CH2OH系統之平均自由離子機率圖…………………………53 圖3-27 BMIPF6 /CF3CH2OH系統之BMI+ 離子周圍PF6- 離子之徑向分佈函數圖……55 圖3-28 BMIPF6 / CF3CH2OH系統之BMI+ 周圍之PF6-離子配位數圖…….56 圖3-29 BMIPF6 /CF3CH2OH系統之BMI+ 周圍之PF6-離子之配位機率圖 ..57 圖3-30 BMIPF6 /CF3CH2OH系統之BMI+ 周圍CF3CH2OH之徑向分佈函數圖...59 圖3-31 BMIPF6 /CF3CH2OH系統之BMI+ 周圍CF3CH2OH之配位數圖….60 圖3-32 BMIPF6 / CF3CH2OH系統之BMI+ 周圍之CF3CH2OH之配位機率圖61 圖3-33 純BMIPF6 系統之BMI+ 周圍環境示意圖………………………….63 圖3-34 CF3CH2OH莫耳分率為0.25時之BMI+ 周圍環境示意圖………...63 圖3-35 CF3CH2OH莫耳分率為0.45時之BMI+ 周圍環境示意圖………...64 圖3-36 CF3CH2OH莫耳分率為0.65時之BMI+ 周圍環境示意圖………...64 圖3-37 BMIPF6 /CH3CH2OH系統之BMI+ 周圍PF6- 離子之徑向分佈函數圖66 圖3-38 BMIPF6 / CH3CH2OH系統之BMI+ 周圍之PF6-離子之配位數圖…67 圖3-39 BMIPF6 / CH3CH2OH系統之BMI+ 周圍之PF6-離子之配位機率圖68 圖3-40 BMIPF6 /CH3CH2OH系統之BMI+ 周圍CH3CH2OH 離子之徑向分佈函數圖……………………69 圖3-41 BMIPF6 / CH3CH2OH系統之BMI+ 周圍之CH3CH2OH之配位數圖70 圖3-42 BMIPF6 / CH3CH2OH系統之BMI+ 周圍之CH3CH2OH之配位機率圖...71 圖3-43 CH3CH2OH莫耳分率為0.45時之BMI+ 周圍環境示意圖………...73 圖3-44 CH3CH2OH莫耳分率為0.65時之BMI+ 周圍環境示意圖………...73 圖3-45 CH3CH2OH莫耳分率為0.65時之BMI+ 周圍環境示意圖………...74 圖3-46 BMIPF6 /CH3CH2OH系統之BMI+ 周圍PF6- 離子之徑向分佈函數圖76 圖3-47 含CF3CH2OH系統之離子群之分析…………81 圖3-48 含CH3CH2OH系統之離子群之分析……..82 圖3-49 含CF3CH2OH系統小離子群之分析 ………...83 圖3-50 含CH3CH2OH系統小離子群之分析 …………84 圖A-1 溫度300 K時,CF3CH2OH莫耳分率為0.45時之均方位移圖…….86 圖A-2 溫度300 K時,CF3CH2OH莫耳分率為0.65時之均方位移圖…….87 圖A-3 溫度300 K時,CH3CH2OH莫耳分率為0.45時之均方位移圖…….88 圖A-4 溫度300 K時,CH3CH2OH莫耳分率為0.65時之均方位移圖…….89 圖A-5 加入稀釋劑CF3CH2OH後,BMI+之H2、H4、H5與稀釋劑作用力示意圖...90 圖A-6 加入稀釋劑CF3CH2OH後,BMI+之H14、H16與稀釋劑作用力示意圖…90 圖A-7 CH3CH2OH 加入離子液體後之作用力示意圖…91 圖A-8 溫度300K溶劑(CF3CH2OH、C2H5OH),對陽離子環上(H2、H4、H5)之1H 化學位移圖…….…….…….…91 圖A-9 溫度300K溶劑(CF3CH2OH 、 C2H5OH),對陰離子作19F化學位移...92

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    下載圖示 校內:2014-02-09公開
    校外:2019-02-09公開
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