碳酸鉀結(jié)構(gòu)及熱穩(wěn)定性研究

于宏偉，楊若冰，董 妍，胡夢璇，李吉納，郭雪純，馬思怡，陳新樂

（石家莊學(xué)院化工學(xué)院，河北石家莊 050035）

碳酸鉀（CAS 584-08-7）是一類重要的無機化合物，廣泛應(yīng)用在環(huán)境工程[1]、食品工程[2]、石油天然氣工業(yè)[3]、輕化工領(lǐng)域[4]、畜牧[5]及金屬工藝學(xué)[6]等領(lǐng)域。碳酸鉀的廣泛應(yīng)用與其特殊結(jié)構(gòu)有關(guān)。IR光譜法廣泛應(yīng)用于化合物結(jié)構(gòu)研究方面[7-10]，但傳統(tǒng)的IR光譜分辨能力不高。三級IR光譜是一種較為新型的IR光譜技術(shù)[11-12]，可以提供更加豐富的光譜信息。

本文以碳酸鉀為研究對象，分別開展了碳酸鉀三級IR光譜研究，為碳酸鉀的應(yīng)用研究提供了重要的科學(xué)參考依據(jù)。

1 實驗部分

1.1 試劑

無水碳酸鉀，分析純，天津市永大化學(xué)試劑有限公司。

1.2 儀器

Spectrum100型傅里葉紅外光譜儀，美國PE公司；Golden Gate型單次內(nèi)反射ATR-FTIR變溫附件和WEST6100+型變溫控件，英國Specac公司。

1.3 實驗方法

紅外光譜實驗以空氣為背景，每次對信號進行8次掃描累加。測溫范圍303～523 K（變溫步長10 K）。碳酸鉀的IR及TD-IR光譜數(shù)據(jù)的獲得采用PE公司Spectrum v6.3.5作軟件。碳酸鉀的2D-IR光譜數(shù)據(jù)的獲得采用清華大學(xué)TD Versin4.2軟件。

2 結(jié)果與討論

2.1 碳酸鉀的IR光譜研究

首先開展了碳酸鉀的一維IR光譜研究，見圖1（a）。進一步研究了碳酸鉀的二階導(dǎo)數(shù)IR光譜，見圖 1（b）。

從圖 1（a）可知，其中 1 388.52 cm-1頻率處的吸收峰歸屬于碳酸鉀C—O不對稱伸縮振動模式（νasC-O-碳酸鉀-一維），1 060.93 cm-1頻率處的較弱吸收峰歸屬于碳酸鉀C—O對稱伸縮振動模式（νsC-O-碳酸鉀-一維），879.16 cm-1頻率處的吸收峰歸屬于碳酸鉀C—O 面內(nèi)彎曲振動模式（βC-O-碳酸鉀-一維），而 702.74 cm-1頻率處的吸收峰歸屬于碳酸鉀C—O面外彎曲振動模式（γC-O-碳酸鉀-一維）。圖 1（b）進一步研究了碳酸鉀的二階導(dǎo)數(shù)IR光譜，其中1 390.89 cm-1頻率處的吸收峰歸屬于碳酸鉀C—O不對稱伸縮振動模式（νasC-O-碳酸鉀-二階導(dǎo)數(shù)），1 061.00 cm-1頻率處的較弱吸收峰歸屬于碳酸鉀C—O對稱伸縮振動模式（νsC-O-碳酸鉀-二階導(dǎo)數(shù)），879.12 cm-1頻率處的吸收峰歸屬于碳酸鉀 C—O 面內(nèi)彎曲振動模式（βC-O-碳酸鉀-一維），而 703.17 cm-1頻率處的吸收峰歸屬于碳酸鉀C—O面外彎曲振動模式（γC-O-碳酸鉀-二階導(dǎo)數(shù)）。研究發(fā)現(xiàn)：碳酸鉀的二階導(dǎo)數(shù)IR光譜可以顯著地提高原譜圖的分辨能力。

圖1 碳酸鉀的IR光譜（303 K）

2.2 碳酸鉀TD-IR光譜研究

2.2.1 碳酸鉀一維TD-IR光譜研究

在303～523 K的溫度范圍內(nèi)，開展了碳酸鉀的一維TD-IR光譜研究，結(jié)果見圖 2，相關(guān)IR光譜信息見表1，“-”代表該頻率處沒有發(fā)現(xiàn)碳酸鉀明顯的紅外吸收峰。

圖2 碳酸鉀的一維TD-IR光譜（303～523 K）

由表1數(shù)據(jù)可知，隨著測定溫度的升高（303～523 K），碳酸鉀 βC-O-碳酸鉀-一維對應(yīng)的紅外吸收頻率發(fā)生明顯的紅移，而碳酸鉀 νasC-O-碳酸鉀-一維、νsC-O-碳酸鉀-一維和 γC-O-碳酸鉀-一維對應(yīng)的紅外吸收頻率沒有明顯的規(guī)律性改變。隨著測定溫度的升高（303～523 K），碳酸鉀 νasC-O-碳酸鉀-一維和 βC-O-碳酸鉀-一維對應(yīng)的吸收強度增加，而碳酸鉀νsC-O-碳酸鉀-一維和 γC-O-碳酸鉀-一維對應(yīng)的吸收峰趨于消失。

2.2.2 碳酸鉀二階導(dǎo)數(shù)TD-IR光譜研究

在303～523 K的溫度范圍內(nèi)，進一步開展了碳酸鉀的二階導(dǎo)數(shù)TD-IR光譜的研究，結(jié)果見圖 3，相關(guān)光譜數(shù)據(jù)見表2，“-”代表該頻率處沒有發(fā)現(xiàn)碳酸鉀明顯的紅外吸收峰。

由表2數(shù)據(jù)可知，隨著測定溫度的升高（303～523 K），碳酸鉀 νasC-O-碳酸鉀-二階導(dǎo)數(shù)和 βC-O-碳酸鉀-二階導(dǎo)數(shù)對應(yīng)的紅外吸收頻率發(fā)生明顯的紅移，而碳酸鉀νsC-O-碳酸鉀-二階導(dǎo)數(shù)和 γC-O-碳酸鉀-二階導(dǎo)數(shù)對應(yīng)的紅外吸收頻率沒有明顯的規(guī)律性改變。

2.3 碳酸鉀2D-IR光譜研究

2.3.1 碳酸鉀 νasC-O-碳酸鉀-二維的2D-IR 光譜研究（1 450～1350 cm-1）

在1 450～1 350 cm-1頻率范圍內(nèi)，開展了碳酸鉀νasC-O-碳酸鉀-二維的同步 2D-IR 光譜研究，結(jié)果見圖 4（a）。在1 450～1 350 cm-1頻率范圍內(nèi)，進一步開展了νasC-O-碳酸鉀-二維的異步 2D-IR 光譜研究，結(jié)果見圖4（b）。

從圖 4（a）中可知，首先在（1 370 cm-1，1 370 cm-1）頻率處發(fā)現(xiàn)1個相對強度較大的自動峰，進一步證明該頻率處（1 370 cm-1）對應(yīng)的官能團對于溫度變化比較敏感。從圖 4（b）可知，在 1450～1350 cm-1頻率范圍內(nèi)，進一步開展了 νasC-O-碳酸鉀-二維的異步2D-IR光譜研究，并沒有發(fā)現(xiàn)明顯的交叉峰。

表1 碳酸鉀的一維TD-IR光譜數(shù)據(jù)（303～523 K）

表2 碳酸鉀的二階導(dǎo)數(shù)TD-IR光譜數(shù)據(jù)（303～523 K）

圖3 碳酸鉀的二階導(dǎo)數(shù)TD-IR光譜（303～523 K）

2.3.2 碳酸鉀νsC-O-碳酸鉀-二維的2D-IR光譜研究（1 100～1 000 cm-1）

在1 100～1 000 cm-1頻率范圍內(nèi)，開展了碳酸鉀 νsC-O-碳酸鉀-二維的同步 2D-IR 光譜研究，結(jié)果見圖 5（a）。在1 100～1 000 cm-1頻率范圍內(nèi)，繼續(xù)開展了碳酸鉀 νsC-O-碳酸鉀-二維的異步 2D-IR 光譜研究，結(jié)果見圖 5（b）。

圖 4 碳酸鉀 νasC-O-碳酸鉀-二維的 2D-IR 光譜（1 450～1 350 cm-1）

圖 5 碳酸鉀 νsC-O-碳酸鉀-二維的 2D-IR 光譜（1 100～1 000 cm-1）

由圖5（a）可知，首先在（1 026 cm-1，1 026cm-1）和（1 060 cm-1，1 060 cm-1）頻率附近發(fā)現(xiàn)了 2 個相對強度較大的自動峰。而在1 100～1 000 cm-1頻率范圍內(nèi)，并沒有發(fā)現(xiàn)明顯的交叉峰。由圖5（b）可知，在（1 028 cm-1，1 054 cm-1）頻率附近發(fā)現(xiàn)1個相對強度較大的交叉峰。碳酸鉀νsC-O-碳酸鉀-二維的2D-IR光譜數(shù)據(jù)證明，其對應(yīng)的吸收頻率包括：1 054（νsC-O-1-碳酸鉀-二維）和1 028 cm-1（νsC-O-2-碳酸鉀-二維）。熱擾動因素下，碳酸鉀 νsC-O-碳酸鉀-二維吸收峰變化快慢的順序為：1 054 cm-1（νsC-O-1-碳酸鉀-二維）＞1 028 cm-1（νsC-O-2-碳酸鉀-二維）。

2.3.3 碳酸鉀 βC-O-碳酸鉀-二維2D-IR 光譜研究（950～850 cm-1）

在950～850 cm-1頻率范圍內(nèi)，開展了碳酸鉀βC-O-碳酸鉀-二維的同步 2D-IR 光譜研究，結(jié)果見圖 6（a）。在950～850 cm-1頻率范圍內(nèi)，繼續(xù)開展了碳酸鉀νsC-O-碳酸鉀-二維的異步2D-IR光譜研究，結(jié)果見圖6（b）。

由圖 6（a）可見，首先在（875 cm-1，875 cm-1）頻率附近發(fā)現(xiàn)了1個相對強度較大的自動峰。由圖6（b）可知，在（874 cm-1，880 cm-1）頻率附近發(fā)現(xiàn) 1 個相對強度較大的交叉峰。碳酸鉀 βC-O-碳酸鉀-二維的2D-IR 光譜數(shù)據(jù)證明，其對應(yīng)的吸收頻率包括：880（βC-O-1-碳酸鉀-二維）和874 cm-（1βC-O-2-碳酸鉀-二維）。熱擾動因素下，碳酸鉀 βC-O-碳酸鉀-二維吸收峰變化快慢的順序為：874 cm-1（βC-O-2-碳酸鉀-二維）＞880 cm-（1βC-O-1-碳酸鉀-二維）。

2.3.4 碳酸鉀 γC-O-碳酸鉀-二維2D-IR 光譜研究（750～650 cm-1）

圖 6 碳酸鉀 βC-O-碳酸鉀-二維的 2D-IR 光譜（950～850 cm-1）

在750～650 cm-1頻率范圍內(nèi)，開展了碳酸鉀γC-O-碳酸鉀-二維的同步 2D-IR 光譜研究，結(jié)果見圖 7（a）。在750～650 cm-1頻率范圍內(nèi)，繼續(xù)開展了碳酸鉀 γsC-O-碳酸鉀-二維的異步 2D-IR 光譜研究，結(jié)果見圖 7（b）。

圖 7 碳酸鉀 γC-O-碳酸鉀-二維的 2D-IR 光譜（750～650 cm-1）

由圖 7（a）可知，首先在（701 cm-1，701 cm-1）頻率附近發(fā)現(xiàn)了1個相對強度較大的自動峰。由圖7（b）可知，在（693 cm-1，703 cm-1）頻率附近發(fā)現(xiàn) 1個相對強度較大的交叉峰。碳酸鉀γC-O-碳酸鉀-二維的2D-IR光譜數(shù)據(jù)證明，其對應(yīng)的吸收頻率包括：703 cm-1（γC-O-1-碳酸鉀-二維）和693 cm-1（γC-O-2-碳酸鉀-二維）。熱擾動因素下，碳酸鉀 γC-O-碳酸鉀-二維吸收峰變化快慢的順序為：693 cm-1（γC-O-2-碳酸鉀-二維）＞703 cm-1（γC-O-1-碳酸鉀-二維）。

3 結(jié)論

碳酸鉀主要存在著 νasCO3-碳酸鉀、νsCO3-碳酸鉀、γCO3-碳酸鉀和 βCO3-碳酸鉀4種紅外吸收模式。在303～523 K的溫度范圍內(nèi)，碳酸鉀主要官能團對應(yīng)的紅外吸收頻率及強度都有明顯的改變。而熱擾動因素下，碳酸鉀（νsCO3-碳酸鉀、γCO3-碳酸鉀和 βCO3-碳酸鉀） 對應(yīng)的紅外吸收峰顯示出不同的變化快慢信息。本文采用三級IR光譜技術(shù)開展了重要的無機化合物（碳酸鉀）結(jié)構(gòu)及熱穩(wěn)定性的研究，具有重要的應(yīng)用研究價值和一定的理論研究價值。