五、物理化学
五、物理化学
    河南省的物理化学课最早由戈福祥于1932年在河南大学开设。物理化学方面的科学研究起步于60年代初。首先由李俊甫教授在新乡师院开展起混合溶剂盐效应等化学热力学方面的研究。同时,郑州工学院刘大壮等和郑州大学陈镇东分别从事化学动力学方面的研究。郑州大学程鹏里、新乡师院金斗满、周鸿勋等从事电化学方面的研究;新乡师院卢锦梭还从事了量子化学和结构化学方面的研究。1976年李俊甫教授在新乡师院建立了“溶液化学研究室”;1981年河南省化学研究所成立了“溶液化学研究室”。1981年河南省化学会成立了物理化学专业委员会。郑州大学、河南师范大学、河南大学、郑州工学院、信阳师范学院、河南教育学院和郑州轻工业学院都设有物理化学教研室。
    (一)化学热力学1、气液平衡测定气液平衡研究是化学热力学研究的重要途径。1981年新乡师院卢锦梭等首先利用气液平衡测定了混合溶剂盐效应。提出了盐对溶液相对挥发性影响的模型,在对 Furter方程进行了严格数学推导的基础上,找到了在Furter方程中的参数与溶液浓度的具体函数形式,使能从盐与溶剂分子间的相互作用对方程的应用提供明确的解释。通过KI、KBr在苯—— 甲醇和Licl在苯—— 乙醇、1.2—— 二氯乙烷—— 乙醇和Nal在苯—— 乙醇体系的溶液平衡测定,计算了这些盐在混合溶剂中与醇的优先溶剂化数。在研究了为NaCLO4所饱和的苯—— 甲醇形成的部分混溶体系的气 液平衡之后,用他们提出的修改模型与多参数Wilson公式关联, 预测含盐部分混溶体系的等压气流平衡,和与多参数Wilson公式及三参数Margules公式相关联,预测该体系的恒温气液平衡,均获得成功。研究报告发表于1981年《新乡师范学院学报》。在研究Licl在水—— 甲醇—— 、水—— 乙醇及水—— 丙酮和K2CO3在水—— 丙酮混合溶剂中的气液平衡后,修改了Ohe的优先溶剂化观点。采用非优先溶剂化和假二元系的处理方法,用三参数Margules公式和Barkerro非线性最小二乘法关联和预测计算出这些盐的溶剂化数。研究报告发表于1987年《物理化学学报》。
    卢锦梭等利用气液平衡研究方法,对盐在混合溶剂的溶剂化、溶剂化数、盐析、盐溶、溶质溶剂间的相互作用等各种盐效应作了全面的研究和测定。研究报告分别发表于1984年《新乡师范学院学报》、1986年《河南师范大学学报》。
    2、量热分析1981年新乡师院首先利用膨胀式量热计,测定了NaI在苯—— 甲醇混合溶剂中的溶解热和含盐甲醇与苯的混合热,讨论了该体系中的盐效应。在用该量热计测定Kcl在各种比例的水—— 二氧六环混合物的分子比为4∶ 1,以及Kcl从水到水—— 二氧六环混合溶剂迁移焓的研究。
    河南省化学研究所戴明等首次用picken流动微量量热计,在常温常压下测定了C1至C5正链醇与一系列有机溶剂在全浓度范围内的摩尔过量焓,其中包括苯和甲苯,取代氯苯和苯胺,1.4—— 二氧六环和脂肪酮及环己酮。发现在溶剂相同时,各二元体系的摩尔过量焓均随醇中碳原子数的增多而增大;在醇相同时,氧杂环中氧原子数目的增多,会大 大提高摩尔过量焓的数值。芳烃上取代基——Cl和NH2,会使 HE较相应的苯二元系降低;链酮中由于空间障碍的影响,MIBK 系列较MEK 系列的过量焓要小。DMSO 无明显缔合而表现出较强的结构性,因而它与醇混合的过量焓较相应的DMF要低。这些现象,从溶液中分子间的非特殊相互作用以及极性分子间的自缔合和交叉缔合作了分析和阐述。其研究报告分别发表于1985、1986年《物理化学学报》和国外期刊。
    3、体积变化研究1981年新乡师院首先采用V 形膨胀计测定了苯—— 甲醇全浓度范围含盐(NaI)和无盐时的过量体积。
    4、液—— 液平衡研究液—— 液平衡是溶液热力学的主要内容。在新乡师院李俊甫教授的领导下,一直把盐对双液系混溶性的影响作为盐效应的重要研究内容。60年代初,以合成安瓿法测定了NaI、NaSCN、Naclo4和NH4I等盐,对完全互溶二元系—— 甲醇—— 苯混溶性的影响,发现以上诸盐均能降低二者的混溶性,起到盐析作用。同时,发现体系的混溶温度与所加的盐量之间存在着良好的直线关系,首次推出甲醇—— 苯二元系200K°以下,有一个临界温度的潜在混溶曲线。另外,对含盐二元系的折点推算也作了研究。
    1982年新乡师院研究了Na2SO4对水—— 丙酮二元系混溶性的影响,利用分层盐量与相应的混合温度之间的直线关系,得出在47℃以下,此二元系有一上临界温度的混溶曲线。
    若把盐改为Licl和Kcl时,此二元系却表现出高温时具有下临界温度的混溶曲线。当用KCO3对水—— 乙醇体系进行考察时,又发现该二元系在180℃以上有一条下临界温度的混 溶曲线。而在260℃以下有一条上临界温度的混溶曲线。用NH4cl和Kcl对水—— 四氢呋喃二元系研究发现,在70℃以上有一下临界温度的混溶曲线。而对水—— 二氧六环二元系研究发现,在410℃以上也有一条临界温度的混溶曲线。1983~1987年,郑州工学院王福安等首先把等压热溶、标准燃烧热等热化学数据同气相色谱保留指数相关联,提出了用气相色谱保留指数预测热化学数据的方法,继而根据群集统计理论推导出溶液表面吸附方程,解释了一些经验规律和实验现象,提出了二元溶液表面张力计算的新方法,又根据统计力学理论推导,揭示了真实气体热力学性质的超额函数处理方法的统计热力学理论基础,开发了纯物质汽化热等物性数据预测的新方法。
    5、溶液理论河南师范大学首先以正规溶液为模型,利用热力学相平衡稳定条件,加盐使完全混溶二元系变成部分混溶体系,得出使溶液分层的盐量与分层温度之间的直线关系,导出在盐量较小时的直线方程。接着又以统计力学处理为依据,分析了含盐二元系中各组分之间的相互作用,不用正规溶液模型而直接建立了盐量很小时存在的直接关系。并通过纯组分的物理参数计算二元系加盐和无盐时的混溶温度,以此为基础,又从热力学相律出发,提出了盐效应的广义线性关系。研究报告分别发表于1985年《河南大学学报》、《新乡师范学院学报》。
    1986年河南师范大学卢锦梭、魏冬青、朱建军、魏天俊利用统计热力学建立起来的积分方程的平均球近的处理方法,计算了碱金属离子及卤离子在纯水及在水—— 甲醇、水 —— 乙醇和水—— 丙酮二元系中的溶剂化数,发现前者与MonteCarlo计算机模拟值和X 光衍射法所得结果一致。同时对Pbcl2在水—— 乙醇混合溶剂中也做了类似处理,得出了盐在该体系中的缔合数(MAN)与紫外光谱所提结果相比,较Bierrum 理论结果计算为优。应用剩余极化的概念和Mori布朗运动方程,导出了一个计算含盐溶液 (H2O—Licl、E+OH—Licl等)介电常数的公式,计算值与文献值符合。
    1985年河南省化学研究所戴明、赵建萍在非电解溶液混合盐的理论计算方面,以ScatchardHidebrand理论为基础,考虑混合过程的体积变化和分子间的相互作用能,并引入体积因数和能量因数,用统计热力学推导出一个新的计算混合盐的公式。用该公式对25个非极性二元系和46个含醇体系的计算结果,均与实验值相吻合。
    (二)化学动力学和催化作用1、化学动力学河南省化学动力学的研究始于60年代初期。郑州工学院刘大壮等于1963、1965年在《新乡师范学院学报》先后发表了《以辉县黑土为催化剂的异丙醇脱水动力学研究》、《乙炔催化氧化动力学及反应机理》和《S曲线与反应动力学》。新乡师院金斗满于1963年中国化学化工学会交流论文集中发表了《溶剂对反应速度的影响》。1964年郑州大学陈镇东等也作了“溶剂对反应速度的影响”的研究。1965~1979年郑州工学院朱敏等人在研究碘化钾与过硫酸铵反应,被二价金属离子催化的反应机理时,发现当有Co( )离子存在时,对该反应有催化作用,并得到了该体系的催化氧 化反应动力学方程和反应机理。在催化还原动力学研究方面,郑州大学王文祥等1982年发表了《球形氨合成催化剂还原动力学的研究》、《钾对氨合成催化剂还原的影响》等论文。在复杂反应动力学研究方面,郑州工学院在刘大壮领导下的催化研究室曾对连串反应动力学及其工艺条件最优化课题进行研究,该项工作从拟均相催化反应开始,于1977年完成了国家科委任务“萘氯化水解制甲萘酚的中间试验”,荣获1978年全国科学大会优秀成果奖。在50吨 年中试规模上测定了萘氯化反应的动力学。1979年在研究减少异丙苯合成中催化剂的消耗时,在万吨级规模设备中,发现异丙苯的浓度与Alcl3浓度有关。随后在实验室测出速率常数K 与Alcl3的关系:K=1.55+CAlcl1+2CAICl3。以此为基础,进而导出了一个一般化的连串反应工程收率最佳公式。经简化后,发表在美国I.E.C.杂志上。郑州大学王文祥1980年提出了不可逆连续反应的速度常数的一种确定方法。河南师范大学与北京大学合作,1987年开展了煤化学动力学的研究,用红外光谱定量研究煤化裂解过程中主要官能团:OH、CH2、C—O—C 芳香族稠环等反应动力学,进行了煤裂解反应红外光谱研究。郑州大学马英哲等1987年用化学分析的方法对“5—甲基—4—咪唑甲酸乙酯N—亚丁基化相转移催化动力学”,“三岔共轭体系结构效应、碘乙烷与氮杂查耳酮的反应动力学” 进行了液相动力学研究。
    2、催化作用郑州大学王文祥等从50年代就选择催化 剂作为主攻方向,在氨合成球形催化剂的研制和制造技术上,分别获得1978年全国科学大会奖与1979年国家三等发明奖。此后,还用X 射线衍射、穆斯堡尔能谱、电镜等对球形氨合成催化剂进行结构、性能的研究。1983年通过化工部部级技术鉴定的A110—5Q 型氨合成球形催化剂,是年又获河南省科技成果二等奖。后又研制了HAZQ 铁钴氨合成球形催化剂,在天津碱厂合成氨车间800mm 合成塔的绝热层应用,增产效果显著。
    郑州工学院刘大壮等从1963年开始从事化学动力学和催化方面的研究,在催化作用方面得出气相色谱中的交点规律。在用分子筛为催化剂的苯和乙醇合成乙苯的新工艺中,选用5种制法得到的催化剂作固定相,苯、甲苯、乙苯作为吸附质,测定保留体积,发现他们都有共同交点,为催化剂筛选提供了有用信息。还发现乙炔在使用不同程度的醋酸锌催化剂上,也有一共同交点。在催化固氮研究方面,河南省化学研究所金斗满于1979年进行了开创性的研究。
    (三)电化学、胶体及表面化学1、基础理论研究50年代末期,新乡师院开始进行极谱电化学方面的研究。1964年金斗满对配合物极谱电极过程进行了研究。1965年周鸿勋等对悬汞电极极谱扩散电流公式验证的研究,都已被中国化学学会编辑的《中国化学五十年》收录。1963~1965年,郑州大学与北京师大合作,对异芋酸极谱行为和还原机理进行了研究。此后,河南的电化学研究就逐步的开展起来。
    在电解质溶液理论研究方面,1987年郑州大学程鹏里用离子交换膜对离子透过选择性的新方法,准确、简便的测定了 H+、Li+、Na+NH+4等一价阳离子的初级水化数;Cu2+、Zn2+、Ca2+等离子水化数和SO2-4的离子水化数。郑州工学院对希托夫法测定离子迁移数的计算方法,提出了相应的计算公式。在可逆电池及电极电势方面,郑州大学程鹏里1987年研制了能经受反复升温,加压处理的PH 指示电极及参比电极,并获得稳定、再现性好的电极电势,为工业PH 法监测,参比电极的选择创造了条件。关于电极过程动力学方面的研究,河南师范大学的周鸿勋等于1981~1987年提出并证实焦磷酸盐直接镀铜时 “电位活化” 新概念,为在钢铁基体上直接电镀结合力好的铜镀层建立了理论基础和工艺规范。在烟酸氨性光亮镀银电极过程中,对放电粒子形式的推测,前置转化步骤的判断和烟酸吸附行为等进行了一系列研究,这些都为当时全国无氰电镀推广应用提供了理论基础。
    2、化学电源河南省科学院能源研究所电化学研究室李国栋等在化学电源方面开展了一系列的研究。(1)碱锰电池。
    1983~1984年研究和发展了薄片式高性能碱锰电池,并发展了 “双向恒位极化法” 对二氧化锰活性材料进行了评价。
    (2)干电池。1986年提出了一种对干电池电解液进行快速净化的新方法,提高效率20余倍。新乡师院丁运长等1983~1984年对 PH—MnO2电极电位与 MnO2活性新的评价方法,以及电池的高温贮存时间与寿命的关系式等方面都开展了研究工作。(3)密封铅酸电池。李国栋等1987年在国内首 次研制获得成功,从而填补了中国电池工业上的空白。(4)锂电池。1986年由河南师范大学与新乡电池厂合作,研制了CR2032型LiMn扣式电池,为河南开发高能新型电池填补了空白。并对锂电池有机电液的纯化及微量水份检测和非水LiMn电池电液进行了研究。
    3、电镀及腐蚀新乡师院首先开始了这方面的基础研究。1981年周鸿勋等研究了对焦磷酸盐直接镀铜、锡酸盐 —— 黄血盐镀液电镀铜锡合金。1984~1987年丁运长等对锌酸盐镀锌添加剂Z—1镀锌添加剂研制和应用进行了研究。
    特别是应用Z—1镀锌添加剂所镀的镀件已用于南极长城站。河南师范大学杨发旺等,1985~1987年还对具有优良防腐性能的双层镍电镀和对双层镍电镀液性能的测定,STEP法测定双层镍的厚度及其电位差,添加剂对双层镍间电位差的影响等进行了系列研究。另外,还用刷镀双层镍法解决了新乡市自来水厂大型阀门防腐蚀问题。
    河南大学赵守诚等1987年在电镀光亮镍铁合金、新型铬雾抑制剂—— 铬雾净的研制方面,都取得显著成果。另外,省能源研究所电化学研究室在电镀方面也取得了可喜成果。
    4、有机电化学河南的有机电化学,尤其是有机合成研究,是在80年代开展起来的。河南师大周鸿勋、王海江等,1983~1987年研究了琥珀酰亚胺阳极溴化过程,不同电极材料对木糖还原为木糖醇反应速度的影响。
    5、胶体和表面化学河南省对这一领域的研究是在80年代初开始的。艾宏韬1982年在前人吸附分类研究的基础 上,提出决定电位离子吸附的理论模型并对决定非电位离子共沉淀吸附理论及吸附量的计算,提供了研究方法。1982~1987年艾宏韬与国家海洋局第三研究所合作,对长江口重金属元素固—— 液界面过程提出了水合氧化铁,对Pb、Cu、Cd的吸附热力学模式及吸附动力学,导出了吸附活化能测定原理和方法,计算结果与实验一致。从而为解决土壤、河口等重金属元素污染给予理论解释。艾宏韬还提出离子交换平衡及动力学理论,导出了离子交换吸附等温式。可概括当前的Gapon、Sips、Largrnurr和Freundhin公式,该公式成为计算平衡交换量的理论和方法。
    张玉军等1987年曾对表面活性剂的增溶作用进行探讨。pp 王文祥等1982~1987年结合催化动力学的研究,对A6c球形氨合成催化剂比表面、密度、孔性等进行了测定,对催化剂表面特征用电子显微镜进行了考察,对溶铁催化剂比表面与钾的溶出关系,以及高温度球形氨合成催化剂的密度、孔性及比表面也进行了研究。
    (四)量子化学、结构化学河南省量子化学、结构化学的研究起始于60年代初期。新乡师院卢锦梭等1961~1962年在一般杂化轨道理论的基础上,提出了平面杂化、键间夹角、杂化成分和成键能力的新关系和等性杂化轨道键间夹角之间的关系与其变化范围。讨论P4分子键函数的性质,并对P4分子杂化处理方法进行了评述,也对双锥构型杂化轨道提出了普遍性的处理意见。郑州大学翟锦库1987年提出了利用相似变换技术最优杂化轨道的简便方法。80年代初,河南大 学唐立中对福井谦一的前线轨道理论进行了综述,用前线轨道理论讨论了化学反应中单重态、三重态的选择性,轨道催化及三个体系相互作用等问题,并对轨道对称守恒匹配的判据和最大重迭原则进行了探讨。在结构化学方面,新乡师院赵林冶1985年对键对称原理概括出了三个定则,对无机化学反应进行了讨论,对原子整体状态和原子光谱项也进行了讨论。在量子化学计算和应用方面,河南大学唐立中1984年应用相关理论导出了原子相关能与电子相关能之间的近似相关,得出基本原子相关能的计算公式。河南师范大学张明春等1983~1987年从分子图形出发,把本征多项式归结为抽取不相邻化学键的组合数,直接从分子图形得出本征多项式的系数。根据本征多项式的系数,利用根与方程系数的关系,又可推出共轭分子π电子总能量。利用分子图形、本征多项式和总能量的关系式,又可推知环共轭体系的芳香性。以此为基础,又进一步讨论了三维芳香性,并对二茂铁分子进行了研究。另外,河南师范大学吴斗思、卢锦梭等,1981~198年还进行了关于波函数几率密度分布与共价成键关系以及阳离子半径的类氢化方面的计算研究。