IR spectra of hydrated CaSO4 in the mid-infrared range

封面

如何引用文章

全文:

详细

Background and Objectives: This work is devoted to the study of the influence of moisture of alabaster (building plaster) samples on the profiles of their IR spectra in the wave number range of 500–4000 cm−1. Materials and Methods: IR spectra of distilled water and alabaster samples with the moisture of 0, 26, 106, 132, 159, 185 and 212% at 23°C were investigated by experimental methods of disturbed total internal reflection. Wave numbers and intensities of components of IR spectra of CaSO4(H2O)n clusters for 0< n< 16 were calculated by the methods based on density functional theory with exchange-correlation potential XLYP. Using Gaussian curves with the widths estimated from experiment, the profiles of water valence oscillation bands were determined. When calculating the structure of CaSO4(H2O)n, the positions of atoms in various structural modifications of clusters were optimized. The minimum total energy served as a criterion for choosing the optimal cluster structure, and for the clusters with a large number of atoms, this criterion was applied to an initially selected isomer. Conclusion: On the basis of the calculation results the transformations of the measured spectra (changes of wave numbers and intensities) with changes in the moisture content of the samples have been explained. Comparison of experimental and theoretical spectra in the 3500–3900 cm−1 range allowed to attribute the investigated alabaster powder to a combination of clusters of different sizes:2(CaSO4(H2O)0.5), 2(CaSO4(H2O)0.5 + 0.5H), 4(CaSO4(H2O)0.5), including a cluster of crystalline gypsum: 2(CaSO4(H2O)2). The achieved agreement in the the positions and profiles of the experimental and theoretical water bands in the spectra of samples of different moisture justifies the adequacy of the theoretical description of hydration of CaSO4.  

作者简介

Andrey Morozov

Rostov State Transport University

2 Rostovskogo Strelkovogo Polka Narodnogo Opolcheniya Sq., Rostov-on-Don 344038, Russia

Dmitry Olkhovatov

Rostov State Transport University

2 Rostovskogo Strelkovogo Polka Narodnogo Opolcheniya Sq., Rostov-on-Don 344038, Russia

Vladimir Shapovalov

Rostov State Transport University

ORCID iD: 0000-0001-5791-0337
2 Rostovskogo Strelkovogo Polka Narodnogo Opolcheniya Sq., Rostov-on-Don 344038, Russia

Andrei Kochur

Rostov State Transport University

2 Rostovskogo Strelkovogo Polka Narodnogo Opolcheniya Sq., Rostov-on-Don 344038, Russia

Victor Yavna

Rostov State Transport University

2 Rostovskogo Strelkovogo Polka Narodnogo Opolcheniya Sq., Rostov-on-Don 344038, Russia

参考

  1. Pegau W. S., Gray D., Zaneveld J. R. V. Absorption and attenuation of visible and near-infrared light in water: Dependence on temperature and salinity. Applied Optics, 1997, vol. 36, iss. 24, pp. 6035–6046. https://doi.org/10.1364/AO.36.006035
  2. Max J.-J., Gessinger V., van Driessche C., Larouche P., Chapados C. Infrared spectroscopy of aqueous ionic salt solutions at low concentrations. J. Chem. Phys., 2007, vol. 126, iss. 18, article no. 184507. https://doi.org/10.1063/1.2717184
  3. Cheng-Wen Liu, Feng Wang, Lijiang Yang, Xin-Zheng Li, Wei-Jun Zheng, Yi Qin Gao. Stable salt-water cluster structures reflect the delicate competition between ion-water and water-water interactions. J. Phys. Chem. B, 2014, vol. 118, iss. 3, pp. 743–751. https://doi.org/10.1021/jp408439j
  4. Tandy J. D., Feng C., Boatwright A., Sarma G., Sadoon A. M., Shirley A., Rodrigues N. D., Cunningham E. M., Yang S., Ellis A. M. Communication: Infrared spectroscopy of salt-water complexes. J. Chem. Phys., 2016, vol. 144, article no. 121103. https://doi.org/10.1063/1.4945342
  5. Mizoguchi A., Ohshima Y., Endo Y. Microscopic hydration of the sodium chloride ion pair. J. Am. Chem. Soc., 2003, vol. 125, iss. 7, pp. 1716–1717. https://doi.org/10.1021/ja028522x
  6. Christian P. P., Mark S. G. Solvation of sodium chloride: An effective fragment study of NaCl(H2O)n. J. Phys. Chem. A, 1999, vol. 103, pp. 4162–4166. https://doi.org/10.1021/jp984806l
  7. Olleta A. C., Lee H. M., Kim K. S. Ab initio study of hydrated sodium halides NaX(H2O)(1–6) (X=F, Cl, Br, and I). J. Chem. Phys., 2006, vol. 124, iss. 2, article no. 024321. https://doi.org/10.1063/1.2147283
  8. Hou G. L., Liu C. W., Li R. Z., Xu H. G., Gao Y. Q., Zheng W. J. Emergence of solvent-separated Na+–Cl− ion pair in salt water: Photoelectron spectroscopy and theoretical calculations. J. Phys. Chem. Lett., 2017, vol. 8, iss. 1, pp. 13–20. https://doi.org/10.1021/acs.jpclett.6b02670
  9. Wei Z. Y., Yang L. J., Gong S. Y., Xu H. G., Xu X. L., Gao Y. Q., Zheng W. J. Comparison of the microsolvation of CaX2 (X = F, Cl, Br, I) in water: Size-selected anion photoelectron spectroscopy and theoretical calculations. J. Phys. Chem. A., 2021, vol. 125, iss. 16, pp. 3288–3306. https://doi.org/10.1021/acs.jpca.1c00573
  10. Granovsky A. A. Firefly version 8. Available at: http://classic.chem.msu.su/gran/firefly/index.html (accessed October 3, 2022).
  11. Schmidt M. W., Baldridge K. K., Boatz J. A., Elbert S. T., Gordon M. S., Jensen J. H., Koseki S., Matsunaga N., Nguyen K. A., Su S., Windus T. L., Dupuis M., Montgomery J. A. General atomic and molecular electronic structure system. J. Comput. Chem., 1993, vol. 14, no. 11, pp. 1347–1363. https://doi.org/10.1002/jcc.540141112
  12. Bode B. M., Gordon M. S. MacMolPlt: A graphical user interface for GAMESS. J. Mol. Graph. Model., 1998, vol. 16, iss. 3, pp. 133–138. https://doi.org/10.1016/s1093-3263(99)00002-9
  13. Morozov A., Nazdracheva T., Kochur A., Yavna V. Manifestation of hydration of Na+ and Cl- ions in the IR spectra of NaCl aqueous solutions in the range of 2750–4000 cm−1 . Spectrochim. Acta A Mol. Biomol. Spectrosc., 2023, vol. 287 (Pt. 2), article no. 122119. https://doi.org/10.1016/j.saa.2022.122119
  14. Downs R. T., Hall-Wallace M. The American mineralogist crystal structure database. American Mineralogist, 2003, vol. 88, pp. 247–250.
  15. Darling B. T., Dennison D. M. The Water vapor molecule. Phys. Rev., 1940, vol. 57, pp. 128–139.
  16. Benedict W. S., Gailar N., Plyler E. K. Rotation-vibration spectra of deuterated water vapor. J. Chem. Phys., 1956, vol. 24, pp. 1139–1165. https://doi.org/10.1063/1.1742731
  17. Morozov A., Nazdracheva T., Kochur A., Yavna V. Effect of sodium chloride on the profiles of the IR spectrum bands of kaolinite at moistures under plastic limit. Crystals, 2022, vol. 12, iss. 9, article no. 1224. https://doi.org/10.3390/cryst12091224
  18. Brubach J. B., Mermet A., Filabozzi A., Gerschel A., Roy P. Signatures of the hydrogen bonding in the infrared bands of water. J. Chem. Phys., 2005, vol. 122, article no. 184509. https://doi.org/10.1063/1.1894929

补充文件

附件文件
动作
1. JATS XML

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».