钨酸钠分子三级中红外光谱研究

郭柯馨 ,  芦小刚 ,  杜林楠 ,  李宇涵 ,  罗梦雪 ,  高梅婷 ,  于宏伟 ,  徐元媛

现代化工 ›› 2025, Vol. 45 ›› Issue (7) : 271 -277.

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现代化工 ›› 2025, Vol. 45 ›› Issue (7) : 271-277. DOI: 10.16606/j.cnki.issn0253-4320.2025.07.043
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钨酸钠分子三级中红外光谱研究

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Study on three-level mid infrared spectroscopy of sodium tungstate molecular

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摘要

采用中红外光谱(MIR)研究钨酸钠分子结构。钨酸钠分子红外吸收模式主要包括W—O键不对称伸缩振动模式和W—O键对称伸缩振动模式等。采用变温中红外光谱(TD-MIR)研究温度对钨酸钠分子结构的影响。在303~573 K的温度范围内,随着测定温度的升高,钨酸钠分子νas-W-Oνs-W-O对应的红外吸收频率和强度均发生明显的改变。以νas-W-Oνs-W-O为研究对象,采用二维中红外光谱(2D-MIR)研究钨酸钠分子的热变性。研究发现,在303~373、383~463、473~573 K 3个温度区间,钨酸钠分子主要官能团(νas-W-Oνs-W-O)对热敏感程度及变化快慢顺序都存在较大差异,并进一步进行了热变性机理的研究。本研究拓展了中红外光谱技术(MIR、TD-MIR和2D-MIR)在重要的稀有金属盐(钨酸钠)分子结构及热变性领域的研究范围。

Abstract

Molecular structure of sodium tungstate is characterized by means of mid infrared spectroscopy (MIR).The infrared absorption modes of sodium tungstate molecular include W—O bond asymmetry stretch vibration (νas-W-O),W—O bond symmetrical stretch vibration (νs-W-O),etc.The influences of temperature on sodium tungstate molecular structure is studied by means of temperature-dependent mid infrared spectroscopy (TD-MIR).It is found that with the increasing temperature in the range of 303-573 K,the corresponding infrared absorption frequency and intensity of sodium tungstate molecular (νas-W-O and νs-W-O) change obviously.Taking νas-W-O and νs-W-O as study objects,the thermal denaturation of sodium tungstate molecular are explored by using two-dimensional mid infrared spectroscopy (2D-MIR).It is indicated that in the 303-373 K,383-463 K and 473-573 K temperature ranges,the main functional groups of sodium tungstate molecular (νas-W-O and νs-W-O) show significant differences in thermal sensitivity and the speed order of change.The thermal denaturation mechanism of sodium tungstate is further studied.In a sum,this study expands the research scope of mid infrared spectroscopy techniques (MIR,TD-MIR and 2D-MIR) in the molecular structure and thermal denaturation of important rare metal salts (sodium tungstate).

Graphical abstract

关键词

钨酸钠 / 结构 / 二维中红外光谱 / 变温中红外光谱 / 中红外光谱

Key words

sodium tungstate / structure / two-dimensional mid infrared spectroscopy / temperature-dependent mid infrared spectroscopy / mid infrared spectroscopy

Author summay

郭柯馨(1982-),男,硕士,实验师,研究方向为实验室管理及实践教学研究,

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郭柯馨,芦小刚,杜林楠,李宇涵,罗梦雪,高梅婷,于宏伟,徐元媛. 钨酸钠分子三级中红外光谱研究[J]. 现代化工, 2025, 45(7): 271-277 DOI:10.16606/j.cnki.issn0253-4320.2025.07.043

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钨酸钠(Na2WO4·2H2O,CAS号为10213-10-2)是一类重要的稀有金属盐,广泛应用于冶金[1]、材料[2]、农业[3]及化工[4]等领域。钨酸钠的广泛应用与其特殊的分子结构有关。中红外光谱(MIR)广泛应用于化合物分子结构研究[5-6],但谱图分辨能力不高,提供的光谱信息有限。变温中红外光谱[7-8](TD-MIR)及二维中红外光谱[9-14](2D-MIR)则是一类较为新型的光谱技术,广泛应用于化合物的结构及热变性研究领域,并能提供丰富的光谱信息,但钨酸钠分子相关研究未见报道。本文中采用三级中红外光谱技术(包括MIR、TD-MIR和2D-MIR),在303~573 K的温度范围内,分别开展了钨酸钠的结构及热变性研究,为钨酸钠的应用提供有价值的科学参考。

1 实验部分

1.1 材料

钨酸钠(含有2个结晶水),分析纯,天津市大茂化学试剂厂。

1.2 仪器

Spectrum 100型红外光谱仪(美国PE公司);Golden Gate型ATR-MIR变温附件(测定频率范围 4 000~600 cm-1,英国Specac公司)。

1.3 实验方法

每次实验以空气为背景,对于钨酸钠进行8次扫描累加。测温范围303~573 K(变温步长10 K)。钨酸钠分子的MIR及TD-MIR原始数据获得采用PE公司Spectrum v 6.3.5操作软件。钨酸钠分子的2D-MIR原始数据获得采用清华大学TD Version 4.2软件。

2 结果与讨论

2.1 钨酸钠分子MIR研究

在4 000~600 cm-1频率范围内,采用MIR(一维MIR和二阶导数MIR)开展了钨酸钠分子的结构研究,结果如图1所示。
文献[15]报道,钨酸钠分子属于XY4型分子,主要包括XY对称伸缩振动模式和XY不对称伸缩振动模式。如图1(a)所示,其中931.31 cm-1频率处的吸收峰归属于钨酸钠分子W—O键对称伸缩振动模式(一维MIR);而853.36、816.70、805.00 cm-1频率处的吸收峰归属于钨酸钠分子W—O键不对称伸缩振动模式(一维MIR);图1(b)为钨酸钠分子的二阶导数MIR光谱图,谱图分辨能力有了一定的提高,其中931.40 cm-1频率处的吸收峰归属于钨酸钠分子W—O键对称伸缩振动模式(二阶导数MIR);而853.48、818.17、804.17 cm-1频率处的吸收峰归属于钨酸钠分子W—O键不对称伸缩振动模式(二阶导数MIR),相关红外光谱数据见表1

2.2 钨酸钠分子TD-MIR研究

图2所示,在303~573 K的温度范围内,考查温度变化对钨酸钠分子结构的影响,相关光谱数据见表2
图2(a)为钨酸钠分子的一维TD-MIR谱图,随着测定温度的升高,钨酸钠分子主要官能团νs-W-Oνas-W-O-1νas-W-O-3对应的吸收峰对于温度变化比较敏感,其对应的红外吸收峰分别在483、363、363 K的温度下消失;钨酸钠分子νas-W-O-2对应的吸收频率有明显的红移趋势,对应的吸收强度则不断增加。
图2(b)为钨酸钠分子的二阶导数TD-MIR谱图,随着测定温度的升高,钨酸钠分子主要官能团νs-W-Oνas-W-O-1νas-W-O-3对应的吸收峰对应温度变化同样比较敏感,其对应的红外吸收峰分别在473、383、383 K的温度下消失;钨酸钠分子νas-W-O-2对应的吸收频率先红移后蓝移,又进一步红移。
产生上述变化趋势的原因,可能是室温下,钨酸钠分子中含有2个结晶水,随着测定温度的升高,钨酸钠分子中的结晶水不断风化,而钨酸钠分子主要官能团对应的吸收频率及强度也相应地不断变化。结合表1,钨酸钠分子的一维TD-MIR和二阶导数TD-MIR存在着一定的差异性,这主要是因为二阶导数TD-MIR是一维TD-MIR基于一定的数学模型和假设计算而来,通常二阶导数MIR的谱图分辨能力要优于相应的一维MIR。基于钨酸钠分子的二阶导数TD-MIR数据可知,钨酸钠分子红外吸收频率及强度的变化范围主要集中在303~373、383~463、473~573 K 3个温度区间。

2.3 钨酸钠分子2D-MIR研究

在上述3个温度区间,以钨酸钠分子νs-W-Oνas-W-O为研究对象,采用2D-MIR开展钨酸钠分子的热变性研究。

2.3.1 钨酸钠分子νs-W-O2D-MIR研究

(1)第一温度区间钨酸钠分子νs-W-O2D-MIR研究
图3(a)为钨酸钠分子νs-W-O同步2D-MIR谱图。在(931 cm-1,931 cm-1)频率处发现1个相对强度较大的自动峰,证明钨酸钠分子在该频率处的官能团对于温度变化比较敏感。图3(b)为钨酸钠分子νs-W-O异步2D-MIR谱图。在(927 cm-1,932 cm-1)频率处发现了1个相对强度较大的交叉峰,相关光谱数据见表3
(2)第二温度区间钨酸钠分子νs-W-O2D-MIR研究
图4(a)为钨酸钠分子νs-W-O同步2D-MIR谱图,在(935 cm-1,935 cm-1)频率处发现1个相对强度较大的自动峰。图4(b)为钨酸钠分子νs-W-O异步2D-MIR谱图,在(930 cm-1,935 cm-1)频率处发现了1个相对强度较大的交叉峰,相关光谱数据见表3
(3)第三温度区间钨酸钠分子νs-W-O2D-MIR研究
图5(a)为钨酸钠分子νs-W-O同步2D-MIR谱图,在934、934 cm-1频率处发现1个相对强度较大的自动峰。图5(b)为钨酸钠分子νs-W-O异步2D-MIR谱图,没有发现明显的交叉峰,相关光谱数据见表3
根据表3数据和NODA原则[10-14],第一温度区间,钨酸钠分子νs-W-O对应的红外吸收频率包括932(νs-W-O-1)、927(νs-W-O-2)cm-1。随着测定温度的升高,钨酸钠分子νs-W-O对应的吸收峰变化快慢的顺序为927 cm-1(νs-W-O-2)>932 cm-1(νs-W-O-1);第二温度区间,钨酸钠分子νs-W-O对应的红外吸收频率包括935(νs-W-O-1)、930(νs-W-O-2)cm-1,与第一温度区间相比,对应的吸收频率发生了明显的蓝移。随着测定温度的升高,钨酸钠分子νs-W-O对应的吸收峰变化快慢的顺序为930 cm-1(νs-W-O-2)>935 cm-1(νs-W-O-1)。第三温度区间,并没有发现钨酸钠分子νs-W-O有价值的光谱信息。

2.3.2 钨酸钠分子νas-W-O2D-MIR研究

(1)第一温度区间钨酸钠分子νas-W-O2D-MIR研究
图6(a)为钨酸钠分子νas-W-O同步2D-MIR谱图,在(853 cm-1,853 cm-1)、(818 cm-1,818 cm-1)和(812 cm-1,812 cm-1)频率附近发现3个相对强度较大的自动峰,在(853 cm-1,812 cm-1)频率附近发现1个相对强度较大的交叉峰,证明钨酸钠分子在该频率处对应的官能团之间存在着较强的分子内相互作用。图6(b)为钨酸钠分子νas-W-O异步2D-MIR谱图,在(805 cm-1,812 cm-1)、(812 cm-1,818 cm-1)、(812 cm-1,848 cm-1)和(848 cm-1,855 cm-1)频率附近发现4个相对强度较大的交叉峰,相关光谱数据见表4
(2)第二温度区间钨酸钠分子νas-W-O2D-MIR研究
图7(a)为钨酸钠分子νas-W-O同步2D-MIR谱图,在(825 cm-1,825 cm-1)和(804 cm-1,804 cm-1)频率附近发现2个相对强度较大的自动峰,而在(825 cm-1,804 cm-1)频率附近发现1个相对强度较大的交叉峰。图7(b)钨酸钠分子νas-W-O异步2D-MIR谱图,在(803 cm-1,808 cm-1)和(808 cm-1,824 cm-1)频率附近发现2个相对强度较大的交叉峰,相关光谱数据见表4
(3)第三温度区间钨酸钠分子νas-W-O2D-MIR研究
图8(a)为钨酸钠分子νas-W-O同步2D-MIR谱图,在(822 cm-1,822 cm-1)频率附近发现1个相对强度较大的自动峰。图8(b)为钨酸钠分子νas-W-O异步2D-MIR谱图,在(808 cm-1,811 cm-1)、(811 cm-1,814 cm-1)和(814 cm-1,818 cm-1)频率附近发现3个相对强度较大的交叉峰,相关光谱数据见表4
根据表4数据和NODA原则[10-14],第一温度区间,钨酸钠分子νas-W-O对应的红外吸收频率包括855(νas-W-O-1)、848(νas-W-O-2)、818(νas-W-O-3)、812(νas-W-O-4)、805(νas-W-O-5)cm-1。随着测定温度的升高,钨酸钠分子νas-W-O对应的吸收峰变化快慢的顺序为848 cm-1(νas-W-O-2)>818 cm-1(νas-W-O-3)>805 cm-1(νas-W-O-5)>812 cm-1(νas-W-O-4)>855 cm-1(νas-W-O-1)cm-1。第二温度区间,钨酸钠分子νas-W-O对应的红外吸收频率包括824(νas-W-O-1)、808(νas-W-O-2)、803(νas-W-O-3) cm-1。随着测定温度的升高,钨酸钠分子νas-W-O对应的吸收峰变化快慢的顺序为824 cm-1(νas-W-O-1)>808 cm-1(νas-W-O-2)>803 cm-1(νas-W-O-3)。第三温度区间,钨酸钠分子νas-W-O对应的红外吸收频率包括818(νas-W-O-1)、814(νas-W-O-2)、811(νas-W-O-3)、808(νas-W-O-4) cm-1。随着测定温度的升高,钨酸钠分子νas-W-O对应的吸收峰变化快慢的顺序为818 cm-1(νas-W-O-1)>811 cm-1(νas-W-O-3)>808 cm-1(νas-W-O-4)>814 cm-1(νas-W-O-2)。

3 结论

钨酸钠分子的红外吸收模式包括νs-W-Oνas-W-O;随着测定温度的升高,钨酸钠分子νs-W-Oνas-W-O对应的吸收频率和强度都有明显改变;热扰动因素下,钨酸钠主要官能团(νs-W-Oνas-W-O)对热的敏感程度及吸收峰变化快慢有明显的差异。本文中为研究重要的稀有金属盐(钨酸钠)的结构及热变性建立一个方法学,具有重要的理论研究价值。

参考文献

[1]

李裕芳, 赖道玉. 用钨酸钠晶体制取钨酸、仲钨酸铵和三氧化钨[J]. 中国钨业, 1991, 4(10):4-9.

[2]

陈孝文, 廖丹丹, 陈文贤, . 钨酸钠添加量对钛合金钻杆微弧氧化层耐磨性能的影响[J]. 材料保护, 2019, 52(7):90-94,107.

[3]

牛桂言, 邵惠芳, 孙双, . 钨酸钠对成熟期烤烟氮代谢、氧化胁迫和烟碱含量的影响[J]. 中国土壤与肥料, 2018, 4(4):93-98.

[4]

张科良, 乔小安, 屈撑囤, . 季膦盐和钨酸钠催化下双氧水溶液清洁氧化醇和烯烃的研究[J]. 西安石油大学学报:自然科学版, 2008, 4(1):77-80,114.

[5]

周悦茉, 柴嘉欣, 吉一帆, . 聚四氟乙烯非晶相结构及热变性中红外光谱研究[J]. 纺织科学与工程学报, 2024, 41(2):53-58,99.

[6]

周子轩, 尹子璇, 吴雨靓, . 牙线结构及热变性研究[J]. 纺织科学与工程学报, 2023, 40(1):56-61.

[7]

吴雨靓, 郑海桥, 周子轩, . 网球线结构及热变性研究[J]. 纺织科学与工程学报, 2023, 40(2):59-64.

[8]

尉念伦, 赵茉含, 陈丽云, . 聚苯乙烯变温红外光谱研究[J]. 纺织科学与工程学报, 2019, 36(1):129-133.

[9]

于宏伟, 王晓萱, 戎媛. 医用白凡士林三级MIR光谱研究[J]. 保定学院学报, 2021, 34(4):112-118,125.

[10]

柴嘉欣, 吉一帆, 李雨情, . 乙纶分子结构及热变性三级长波近红外-中红外光谱研究[J]. 纺织科学与工程学报, 2024, 41(1):58-67.

[11]

于宏伟, 孟露, 秦佳慧, . 硫酸钡三级中红外光谱研究[J]. 西安文理学院学报:自然科学版, 2022, 25(2):89-99.

[12]

于宏伟, 王晓萱, 王雪琪, . 亚硫酸钠三级中红外光谱研究[J]. 硫酸工业, 2020,(10):13-18.

[13]

徐元媛, 齐哲真, 张蕊, . 高锰酸钾三级中红外光谱测定[J]. 宜春学院学报, 2020, 42(9):26-31.

[14]

于宏伟, 戎媛, 王晓萱, . 玻璃镜片三级中红外光谱研究[J]. 玻璃搪瓷与眼镜, 2021, 49(1):13-21.

[15]

翁诗甫. 傅里叶变换红外光谱分析[M]. 北京: 化学工业出版社,2010:358-362.

基金资助

河北省高等学校科学技术研究项目(Z2020113)

石家庄学院2023年博士启动基金项目(23BS043)

石家庄学院一流本科课程(YLKC-202105)

石家庄学院教学改革研究与实践项目(JGXM-202408Y)

石家庄学院校级科研项目(24XJ005)

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