镎，镤化合物结构和性质的理论研究

发布时间：2020-11-15 16:26

　　 随着人类社会对能源的消耗和需求日益增加,传统的化石能源将会逐渐退出历史的舞台,核能的发现则必将在人类能源历史长河中书写出浓墨重彩的一笔。作为一种清洁燃料,核能污染低且高效。因此,核能的开发和利用受到世界各国政府和科研工作者的高度关注。然而,在核能的开发利用和可持续发展中也存在一些制约核能发展的问题,如核废料的处理及核燃料的利用等问题。对于核废料问题,如何处理核废料以及分离和回收核废料中有可利用价值的核原料元素是非常重要的。然而,在分离和回收这些有可利用价值的核原料时,一些长寿命锕系元素的放射性会对人类和环境造成严重的危害。镎(Np)元素就是这些高放射性元素中的一种。其次,对于在提高核燃料利用率的问题上,镤(Pa)扮演了重要的角色。镤(Pa)作为钍-铀混合燃料循环体系中存在的一种重要的元素,对体系自身的循环造成了一定的制约。因此,为了研究如何有效、合理地处理放射性核废料中的Np元素及其化合物以及如何利用Pa元素在钍-铀混合燃料反应堆中提高核燃料的循环利用等问题,就必须对Np、Pa等锕系化合物的性质进行深入研究。本论文通过采用密度泛函理论(DFT)中的广义梯度近似GGA:PBE交换关联泛函和B3LYP杂化型密度泛函方法来探究了镎(Np)在硝酸中形成的配合物分子几何结构和电子结构。对镎(Np)的理论研究采用Gaussian 03软件,考虑相对论有效芯势(RECP)并结合高斯型基组。镤(Pa)的研究采用阿姆斯特丹密度泛函软件(ADF 2017),使用全电子slater型基组并结合零级正则近似(ZORA)来处理相对论效应。探究了镤(Pa)在氢氟酸溶液中的存在形式和成键性质。具体工作如下:1.具体研究了Ⅳ价镎离子(Np4+)在硝酸溶液中形成的Np(NO3)nq(n=1~6,q=-2~+3)配合物的几何结构和性质。研究结果表明Np(NO3)n q配合物以双齿形结合为稳定的结合形式。其次,Np4+与2(NO3)-间所形成的Np(NO3)22+中Np-NO3-与Np-Oeq键键长最短。但是结合能的计算结果表明Np4+更倾向于结合4(NO3)-形成稳定的Np(NO3)4配合物。最后作为对比,将理论计算条件下的Np(NO3)4配合物进行IR光谱数据与实验数据进行对比,发现结果符合的比较好。2.研究了Ⅴ价Pa离子(Pa5+)在氟化氢溶液(HF)中的稳定结构和化学键性质。通过理论计算反应能和自由能可以得到Pa5+可以与8个F—结合。而镤酰离子(Pa O3+)可以与5个F-结合;通过使用QTAIM方法结合ELF方法,对Pa F83-、Pa(H2O)85+、Pa OF52-和Pa O(H2O)53+四种化合物的成键进行了计算,结果表明,Pa原子和F原子以及H2O中的O原子间所成的化学键存在一定的共价性;而对键级分析以及x射线近边吸收谱的研究结果表明:由于Pa的5f、6d轨道与F或O原子的2p轨道重叠,使的Pa原子和F原子以及H2O中的O原子间存在一定的共价性,且Pa-F键的共价性强于Pa-Oeq键。
【学位单位】：西北师范大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TL11
【部分图文】：

图 2.1 原子赝势和赝波函数明显的重元素原子，通过构造赝势以及论效应情况下，价电子赝势方程与下式 rJrKrKrrnuunuunuu ~ 111 对论效应的势函数项 Vrrel 加入到VPP相对论下的价轨道用 nlj 表示，如下式 101212 LlljlljnljrelrelrelPPPPnljVrVrPVrVrVr jmjjjjljmrljmr， VrHrmnljrel 赝势方程为：

Np(NO3)nq(n=1~6,q=-2~+3) 配 合 物 中 Np(NO3)4的 结 合 能 最 负 ， 其 值 为-417kcal/mol，表明 Np(NO3)4中 Np4+与 NO3-间的相互作用最强。这意味着 Np4+更倾向结合 4（NO3-）形成更加稳定的 Np(NO3)4配合物。其次，在基组重叠误差（BSSE）方面我们可以看到对于体系计算结果误差影响较小。

HBCP= VBCP+ GBCP出，当键临界点处电子势能能量密度与动能能量密度 密度 越负时，化学键的相互作用更偏向与共价键过表中数据可以看到四种混合物中 Pa-F 键相比 Pa- 域函数分析（ELF）M 分子，我们又采用已经用于描述锕系体系的共价相互F）[43]，根据 Becke 和 Edgecombe’s[4-46]的研究定义了如
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本文编号：2884961