NMR and computer experiments on local hydrogen bonding and fluctuations in super- and subcritical water-organic mixtures

2020 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 17K05754
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Section: 一般
• Research Field: Physical chemistry
• Research Institution: The University of Tokushima
• Principal Investigator: YOSHIDA Ken 徳島大学, 大学院社会産業理工学研究部(理工学域), 講師 (80549171)
• Project Period (FY): 2017-04-01 – 2021-03-31
• Keywords: 超臨界水 / NMR分光法 / 分子動力学シミュレーション / 水素結合

Outline of Final Research Achievements

The self-diffusion coefficients for water and cyclohexane in their binary mixture are determined using the proton pulsed-field-gradient spin-echo method from medium- to low-densities in supercritical conditions. A polynomial fitting function was developed for self-diffusion coefficients with density, temperature, and water mole fraction as variables in combination with a comprehensive molecular dynamics simulation. The effect of hydrogen bonds is discussed through the examination of the activation energies and the activation volumes for the self-diffusion coefficients of water and cyclohexane based on their dependencies on the temperature, density, and water mole fraction.

Free Research Field

溶液物理化学

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

水は、超臨界条件においても強い極性を持ち水素結合を生成する。このような超臨界水中での溶媒和の構造や寿命は、多くの研究者の関心の的であり、重要である。溶質分子の分極、振動は、原子の組み換え現象である化学反応と密接に関連するため、本研究は産業界も注目する超臨界水反応の反応物同士の遷移状態と水和のダイナミクスの関連を解明する糸口となる。本研究で用いる高温NMR装置は、申請者らの独自開発であり、非常にユニークな高分解能NMR装置である。臨界温度が374 ℃と高い水については、疎水性有機溶媒の組み合わせの報告例は無い。