水及水溶液中氢键作用下分子结构与宏观性质关系的拉曼光谱研究

The structures of liquid water and aqueous solution are one of the most basic and challenging scientific problems.As the fundamental cause of the association of liquid water molecules, hydrogen bonding has a direct influence on the physical and chemical properties of aqueous solutions.In this project, we will employ the polarization Raman spectroscopy and liquid-core optical fiber Raman spectra technology as the major means of experiment,with the combination of quantum chemistry calculation method to study a series of typical system of aqueous solution with hydrogen bonding, the effect of hydrogen bond on aqueous solution system is revealed at the molecular level. Meanwhile, we will carry out the measurement of the physical and chemical properties of aqueous solution system with hydrogen bond, combined with the aqueous solution microstructure to establish the correlation model of hydrogen bonding, aqueous solution microstructure and macroscopic properties，and provide valuable experimental basis for enriching water science research.

液态水和水溶液的结构是当今最基础且最具挑战性的科学问题之一。氢键作用作为液态水分子缔合的根本原因，也直接影响水溶液的物理化学性质。本项目拟采用偏振拉曼光谱和液芯光纤拉曼光谱作为主要实验手段，结合量子化学计算的方法，研究一系列具有典型氢键作用的水溶液体系，从分子层次上揭示氢键对水溶液体系的作用规律。同时，本项目拟开展具有典型氢键作用的水溶液体系的宏观物理化学性质的测量，结合水溶液微观结构建立氢键作用-水溶液微观结构-宏观性质的关联模型，为丰富水科学研究提供有价值的实验依据。

液态水和水溶液的物理化学性质很大程度受氢键作用的影响。本项目采用变温拉曼和拉曼直角反射共聚焦技术作为主要实验手段，研究了一系列具有典型氢键作用的水溶液体系和液态水，从分子层次上揭示氢键对水溶液体系的作用规律。在此基础上，我们进一步开展了一系列具有典型氢键作用的水溶液体系的黏度系数和表面张力的测量，建立了氢键作用-水溶液微观结构-宏观性质的关联模型并加以解析，并取得了一系列可喜的研究成果。其中，我们通过测量丙酮水溶液的拉曼光谱和表面张力，研究发现了丙酮与水之间氢键的加强会使水溶液的表面张力逐渐减弱，证实了水溶液的微观结构与宏观性质之间存在一定的关系，并用氢键作用模型分析了混合物中丙酮水溶液表面张力的变化规律。此外，我们还开展了微波场作用对液态水中氢键构型的影响。实验表明：微波加热和油浴加热后的水结构具有明显的区别，微波加热会导致更多的全氢键结构向部分氢键结构和游离水结构转变。在微波的非热效应下，最初作为稳定四面体结构存在的氢键会更快地转变为链状结构。更有趣的是，实验证明微波非热效应可以在长达一小时以上的时间内影响水中的氢键作用。本项目的研究成果为丰富水科学研究提供了一系列有价值的实验依据。