danДоклады Национальной академии наук БеларусиDoklady of the National Academy of Sciences of Belarus1561-83232524-2431The Republican Unitary Enterprise Publishing House "Belaruskaya Navuka"10.29235/1561-8323-2019-63-6-695-703dan-822Research ArticleХИМИЯCHEMISTRYСостояние ионов и молекул воды в водно-солевых растворах полиакриламида и сополимера «акриламид-Na/k соль акриловой кислоты»State of ions and water molecules in the water salt solutions of polyacrylamide and co-polymer of “acrylamide–acrylic acid Na/k salt”СолдатовВ. С.SoldatovV. S.

Солдатов Владимир Сергеевич – академик, д-р хим. наук, профессор, гл. науч. сотрудник. 

ул. Сурганова, 13, 220072, Минск

Soldatov Vladimir Sergeevich – Academician, D. Sc. (Chemistry), Professor, Chief researcher. 

13, Surganov Str., 220072, Minsk

soldatov@ifoch.bas-net.byДавлюдД. Н.DavlyudD. N.

Давлюд Дарья Николаевна – науч. сотрудник. 

ул. Сурганова, 9/1, 220072, Минск

Davlyud Daria Nikolaevna – Researcher. 

9/1, Surganov Str., 220072, Minsk

davlud.d@tut.byБезъязычнаяТ. В.BezyazychnayaT. V.

Безъязычная Татьяна Владимировна – канд. физ.мат. наук, ст. науч. сотрудник. 

ул. Сурганова, 13, 220072, Минск

Bezyazychnaya Tatyana Vladimirovna – Ph. D. (Physics and Mathematics), Senior researcher.  

13, Surganov Str., 220072, Minsk

ВоробьеваЕ. В.VorobievaE. V.

Воробьёва Елена Викторовна – д-р хим. наук, доцент, заведующий лабораторией.

ул. Сурганова, 9/1, 220072, Минск

Vorobieva Elena Viktorovna – D. Sc. (Chemistry), Associate professor, Head of the Laboratory. 

9/1, Surganov Str., 220072, Minsk

КосандровичЕ. Г.KasandrovichE. G.

Косандрович Евгений Генрихович – канд. хим. наук, доцент, заведующий лабораторией. 

ул. Сурганова, 13, 220072, Минск

Kasandrovich Evgenii Genrikhovich – Ph. D. (Chemistry), Associate professor, Head of the Laboratory. 

13, Surganov Str., 220072, Minsk

ВоробьевП. Д.VorobievP. D.

Воробьев Павел Дмитриевич – канд. хим. наук, ст. науч. сотрудник. 

ул. Сурганова, 9/1, 220072, Минск

Vorobiev Pavel Dmitrievich – Ph. D. (Chemistry), Senior researcher.

9/1, Surganov Str., 220072, Minsk

Институт физико-органической химии Национальной академии наук БеларусиInstitute Physical Organic Chemistry of the National Academy of Sciences of BelarusИнститут общей и неорганической химии Нацональной академии наук БеларусиInstitute of General and Inorganic Chemistry of the National Academy of Sciences of Belarus201905012020636695703Copyright © Солдатов В.С., Давлюд Д.Н., Безъязычная Т.В., Воробьева Е.В., Косандрович Е.Г., Воробьев П.Д., 20202020Солдатов В.С., Давлюд Д.Н., Безъязычная Т.В., Воробьева Е.В., Косандрович Е.Г., Воробьев П.Д.Soldatov V.S., Davlyud D.N., Bezyazychnaya T.V., Vorobieva E.V., Kasandrovich E.G., Vorobiev P.D.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://doklady.belnauka.by/jour/article/view/822

Геометрические и электронные параметры молекулярных моделей микросостояний полиакриламида и сополимера акриламида с акриловой кислотой в водных растворах хлоридов натрия и калия были рассчитаны неэмпирическим методом ССП МО ЛКАО с использованием базиса MINI Huzinaga. Модели содержали четыре мономерных звена полимеров, 80 молекул воды и по две пары ионов Na+ и Сl– или k+ и Cl–. Показано, что принципиальная разница в гидратационных свойствах Na+ и k+ состоит в том, что длина связи Na+‧‧‧О2– короче суммы радиусов взаимодействующих ионов, а k+‧‧‧O2– – равна или больше. Это свидетельствует о том, что в первом случае связь частично ковалентная, а во втором – чисто электростатическая. Все элементы молекулярных моделей в обоих случаях объединены между собой межмолекулярными связями, образующими непрерывную пространственную сеть, в которую без искажения ее структуры встраиваются молекулы полимеров, имеющие в своем составе кислородсодержащие группы. Это и является причиной хорошей растворимости изученных полимеров в водно-солевых растворах.

Geometrical and electronic parameters of the microstates of the molecular models of polyacrylamide and co-polymers of acrylamide-acrylic acid in aqueous solutions of sodium and potassium chlorides were computed by the non-empirical SCF MO LCAO method with the use of the basis MINI Huzinaga. The models contained four monomeric units of the polymer, including two metal carboxylate groups, 80 water molecules and two pairs of ions Na+ and Cl– or K+ and Cl–. It follows from the calculation results that there is a principal difference in the hydration of Na+ and K+: the Na+‧‧‧О2– bond is shorter than the sum of the radii of the interacting ions, while the k+‧‧‧O2– bond is equal or longer. This indicates that in the first case, the bonds are partially covalent, while in the second one they are pure electrostatic. All elements of the molecular models in the both cases are combined by the intermolecular bonds forming a spatial net. The polymer molecules have a flexible chain with oxygen containing functional groups that are built into the structure of the salt solutions without distorting it. We assume that this is the main reason for the good solubility of the studied polymers in the aqueous salt solutions.

полиакриламидводорастворимые полимерыанионные полимерыквантово-химический расчетгидратная структурасолевые растворыpolyacrylamidewater-soluble polymersanionic polymersquantum chemical calculationshydrate structuresaline solutionsReferencesКуренков, В. Ф. Полиакриламидные флокулянты / В. Ф. Куренков // Соросовский образовательный журн. – 1997. – № 7. – С. 57–63.Kurenkov V. F. Polyacrylamide flocculants. Sorosovskii obrazovatel'nyi zhurn = Soros Educational Journal, 1997, no. 7, pp. 57–63 (in Russian).Owen, A. T. The preparation and ageing of acrylamide/acrylate copolymer flocculant solutions / A. T. Owen, P. D. Fawell, J. D. Swift // International Journal of Mineral Processing. – 2007. – Vol. 84, N 1–4. – P. 3–14. https://doi.org/10.1016/j.minpro.2007.05.003Owen A. T., Fawell P. D., Swift J. D. The preparation and ageing of acrylamide/acrylate copolymer flocculant solutions International. Journal of Mineral Processing, 2007, vol. 84, no. 1–4, pp. 3–14. https://doi.org/10.1016/j.minpro.2007.05.003Влияние анионных и катионных флокулянтов праестолов на флокуляцию суспензий каолина / В. Ф. Куренков [и др.] // Журн. прикладной химии. – 1999. – Т. 72, № 11. – С. 1892–1896.Kurenkov V. F., Snigirev S. V., Dervoedova E. A., Churikov F. I. The effect of praestols anionic and cationic floraculants on the flocculation of kaolin suspensions. Zhurnal prikladnoi khimii = Russian Journal of Applied Chemistry, 1999, vol. 72, no. 11, pp. 1892–1896 (in Russian).Особенности формирования полиэлектролитных комплексов на основе полиакриламидных соединений в процессе флокуляции глинисто-солевых дисперсий / П. Д. Воробьев [и др.] // Коллоидный журн. – 2007. – Т. 69, № 5. – С. 592–596.Vorob’ev P. D., Krut’ko N. P., Vorob’eva E. V., Cherednichenko D. V., Basalyga I. I. Peculiarities of the formation of polyacrylamide compound-based polyelectrolyte complexes in the course of the flocculation of clay-salt dispersions. Colloid Journal, 2007, vol. 69, no. 5, pp. 552–556. https://doi.org/10.1134/s1061933x07050031Веснеболоцкая, С. А. Влияние формирования поверхностного слоя на набухание полиэлектролитных гидрогелей в водно-солевых растворах / С. А. Веснеболоцкая, Н. Г. Бельникевич, Т. В. Будтова // Журн. прикладной химии. – 2009. – Т. 83, № 11. – С. 1874–1878.Vesnebolotskaya S. A., Bel’kevich N. G., Budtova T. V Influence of surface layer formation on swelling of polyelectrolytic hydrogels in aqueous salt solutions. Russian Journal of Applied Chemistry, 2010, vol. 83, no. 11, pp. 2003–2010. https://doi.org/10.1134/s1070427210110212Филиппова, О. Е. «Восприимчивые» полимерные гели / О. Е. Филиппова // Высокомолекулярные соед. – 2000. – Т. 42, № 12. – С. 2328–2352.Filippova O. E. «Sensitive» Polymer Gels. Vysokomolekulyarnye soedineniya = Polymer science, 2000, vol. 42, no. 12, pp. 2328–2352 (in Russian).Крамаренко, Е. Ю. Полиэлектролитные сетки как высокочувствительные полимеры / Е. Ю. Крамаренко, О. Е. Филиппова, А. Р. Хохлов // Высокомолекулярные соед. – 2006. – Т. 48, № 7. – С. 1216–1240.Kramarenko E. Yu., Filippova O. E., Khokhlov O. R. Polyelectrolyte networks as highly sensitive polymers. Polymer Science Series C, 2006, vol. 48, no. 1, pp. 1-20. https://doi.org/10.1134/s1811238206010012Clark, T. A Handbook of Computational Chemistry: A Practical Guide to Chemical Structure and Energy Calculations / T. Clark. – New York, 1985. – 382 p.Clark T. A Handbook of Computational Chemistry: A Practical Guide to Chemical Structure and Energy Calculations. New York, 1985. 382 p.Huzinaga, S. Gaussian Basis Sets for Molecular Calculations / S. Huzinaga, J. Andzelm, M. Klobukowski. – Amsterdam, 1984. – 434 p.Huzinaga S. Gaussian Basis Sets for Molecular Calculations. Amsterdam, 1984. 434 p.Зеленковский, В. М. Компьютерное моделирование структуры полимерных ионитов / В. М. Зеленковский. – М., 2012. – 327 с.Zelenkovskiy V. M. Computer simulation of the structure of polymeric ion exchangers. Minsk, 2012. 327 p. (in Russian).Soldatov, V. S. Hydration of ion exchangers: thermodynamics and quantum chemistry calculations. IV. The state of ions and water molecules in alkali forms of sulfostyrene resins / V. S. Soldatov, E. G. Kosandrovich, T. V. Bezyazychnaya // React. and Funct. Polym. – 2018. – Vol. 131. – P. 219–229. https://doi.org/10.1016/j.reactfunctpolym.2018.07.010Soldatov V. S., Kosandrovich E. G., Bezyazychnaya T. V. Hydration of ion exchangers: thermodynamics and quantum chemistry calculations. IV. The state of ions and water molecules in alkali forms of sulfostyrene resins. Reactive and Functional Polymers, 2018, vol. 131, pp. 219–229. https://doi.org/10.1016/j.reactfunctpolym.2018.07.010Soldatov, V. Hydration of ion exchangers: termodynamics and quantum chemistry calculations. III. The state of the proton and water molecules in hydrogen form of Sulfostyrene ion exchangers / V. Soldatov, V. Zelenkovskii, E. Kosandrovich // React. Funct. Polym. – 2016. – Vol. 102. – P. 156–164. https://doi.org/10.1016/j.reactfunctpolym.2016.03.001Soldatov V., Zelenkovskii V., Kosandrovich E. Hydration of ion exchangers: termodynamics and quantum chemistry calculations. III. The state of the proton and water molecules in hydrogen form of Sulfostyrene ion exchangers. Reactive and Functional Polymers, 2016, vol. 102, pp. 156–164. https://doi.org/10.1016/j.reactfunctpolym.2016.03.001

The authors declare that there are no conflicts of interest present.