碳酸钾结构及热稳定性研究

于宏伟，杨若冰，董 妍，胡梦璇，李吉纳，郭雪纯，马思怡，陈新乐

（石家庄学院化工学院，河北石家庄 050035）

碳酸钾（CAS 584-08-7）是一类重要的无机化合物，广泛应用在环境工程[1]、食品工程[2]、石油天然气工业[3]、轻化工领域[4]、畜牧[5]及金属工艺学[6]等领域。碳酸钾的广泛应用与其特殊结构有关。IR光谱法广泛应用于化合物结构研究方面[7-10]，但传统的IR光谱分辨能力不高。三级IR光谱是一种较为新型的IR光谱技术[11-12]，可以提供更加丰富的光谱信息。

本文以碳酸钾为研究对象，分别开展了碳酸钾三级IR光谱研究，为碳酸钾的应用研究提供了重要的科学参考依据。

1 实验部分

1.1 试剂

无水碳酸钾，分析纯，天津市永大化学试剂有限公司。

1.2 仪器

Spectrum100型傅里叶红外光谱仪，美国PE公司；Golden Gate型单次内反射ATR-FTIR变温附件和WEST6100+型变温控件，英国Specac公司。

1.3 实验方法

红外光谱实验以空气为背景，每次对信号进行8次扫描累加。测温范围303～523 K（变温步长10 K）。碳酸钾的IR及TD-IR光谱数据的获得采用PE公司Spectrum v6.3.5作软件。碳酸钾的2D-IR光谱数据的获得采用清华大学TD Versin4.2软件。

2 结果与讨论

2.1 碳酸钾的IR光谱研究

首先开展了碳酸钾的一维IR光谱研究，见图1（a）。进一步研究了碳酸钾的二阶导数IR光谱，见图 1（b）。

从图 1（a）可知，其中 1 388.52 cm-1频率处的吸收峰归属于碳酸钾C—O不对称伸缩振动模式（νasC-O-碳酸钾-一维），1 060.93 cm-1频率处的较弱吸收峰归属于碳酸钾C—O对称伸缩振动模式（νsC-O-碳酸钾-一维），879.16 cm-1频率处的吸收峰归属于碳酸钾C—O 面内弯曲振动模式（βC-O-碳酸钾-一维），而 702.74 cm-1频率处的吸收峰归属于碳酸钾C—O面外弯曲振动模式（γC-O-碳酸钾-一维）。图 1（b）进一步研究了碳酸钾的二阶导数IR光谱，其中1 390.89 cm-1频率处的吸收峰归属于碳酸钾C—O不对称伸缩振动模式（νasC-O-碳酸钾-二阶导数），1 061.00 cm-1频率处的较弱吸收峰归属于碳酸钾C—O对称伸缩振动模式（νsC-O-碳酸钾-二阶导数），879.12 cm-1频率处的吸收峰归属于碳酸钾 C—O 面内弯曲振动模式（βC-O-碳酸钾-一维），而 703.17 cm-1频率处的吸收峰归属于碳酸钾C—O面外弯曲振动模式（γC-O-碳酸钾-二阶导数）。研究发现：碳酸钾的二阶导数IR光谱可以显著地提高原谱图的分辨能力。

图1 碳酸钾的IR光谱（303 K）

2.2 碳酸钾TD-IR光谱研究

2.2.1 碳酸钾一维TD-IR光谱研究

在303～523 K的温度范围内，开展了碳酸钾的一维TD-IR光谱研究，结果见图 2，相关IR光谱信息见表1，“-”代表该频率处没有发现碳酸钾明显的红外吸收峰。

图2 碳酸钾的一维TD-IR光谱（303～523 K）

由表1数据可知，随着测定温度的升高（303～523 K），碳酸钾 βC-O-碳酸钾-一维对应的红外吸收频率发生明显的红移，而碳酸钾 νasC-O-碳酸钾-一维、νsC-O-碳酸钾-一维和 γC-O-碳酸钾-一维对应的红外吸收频率没有明显的规律性改变。随着测定温度的升高（303～523 K），碳酸钾 νasC-O-碳酸钾-一维和 βC-O-碳酸钾-一维对应的吸收强度增加，而碳酸钾νsC-O-碳酸钾-一维和 γC-O-碳酸钾-一维对应的吸收峰趋于消失。

2.2.2 碳酸钾二阶导数TD-IR光谱研究

在303～523 K的温度范围内，进一步开展了碳酸钾的二阶导数TD-IR光谱的研究，结果见图 3，相关光谱数据见表2，“-”代表该频率处没有发现碳酸钾明显的红外吸收峰。

由表2数据可知，随着测定温度的升高（303～523 K），碳酸钾 νasC-O-碳酸钾-二阶导数和 βC-O-碳酸钾-二阶导数对应的红外吸收频率发生明显的红移，而碳酸钾νsC-O-碳酸钾-二阶导数和 γC-O-碳酸钾-二阶导数对应的红外吸收频率没有明显的规律性改变。

2.3 碳酸钾2D-IR光谱研究

2.3.1 碳酸钾 νasC-O-碳酸钾-二维的2D-IR 光谱研究（1 450～1350 cm-1）

在1 450～1 350 cm-1频率范围内，开展了碳酸钾νasC-O-碳酸钾-二维的同步 2D-IR 光谱研究，结果见图 4（a）。在1 450～1 350 cm-1频率范围内，进一步开展了νasC-O-碳酸钾-二维的异步 2D-IR 光谱研究，结果见图4（b）。

从图 4（a）中可知，首先在（1 370 cm-1，1 370 cm-1）频率处发现1个相对强度较大的自动峰，进一步证明该频率处（1 370 cm-1）对应的官能团对于温度变化比较敏感。从图 4（b）可知，在 1450～1350 cm-1频率范围内，进一步开展了 νasC-O-碳酸钾-二维的异步2D-IR光谱研究，并没有发现明显的交叉峰。

表1 碳酸钾的一维TD-IR光谱数据（303～523 K）

表2 碳酸钾的二阶导数TD-IR光谱数据（303～523 K）

图3 碳酸钾的二阶导数TD-IR光谱（303～523 K）

2.3.2 碳酸钾νsC-O-碳酸钾-二维的2D-IR光谱研究（1 100～1 000 cm-1）

在1 100～1 000 cm-1频率范围内，开展了碳酸钾 νsC-O-碳酸钾-二维的同步 2D-IR 光谱研究，结果见图 5（a）。在1 100～1 000 cm-1频率范围内，继续开展了碳酸钾 νsC-O-碳酸钾-二维的异步 2D-IR 光谱研究，结果见图 5（b）。

图 4 碳酸钾 νasC-O-碳酸钾-二维的 2D-IR 光谱（1 450～1 350 cm-1）

图 5 碳酸钾 νsC-O-碳酸钾-二维的 2D-IR 光谱（1 100～1 000 cm-1）

由图5（a）可知，首先在（1 026 cm-1，1 026cm-1）和（1 060 cm-1，1 060 cm-1）频率附近发现了 2 个相对强度较大的自动峰。而在1 100～1 000 cm-1频率范围内，并没有发现明显的交叉峰。由图5（b）可知，在（1 028 cm-1，1 054 cm-1）频率附近发现1个相对强度较大的交叉峰。碳酸钾νsC-O-碳酸钾-二维的2D-IR光谱数据证明，其对应的吸收频率包括：1 054（νsC-O-1-碳酸钾-二维）和1 028 cm-1（νsC-O-2-碳酸钾-二维）。热扰动因素下，碳酸钾 νsC-O-碳酸钾-二维吸收峰变化快慢的顺序为：1 054 cm-1（νsC-O-1-碳酸钾-二维）＞1 028 cm-1（νsC-O-2-碳酸钾-二维）。

2.3.3 碳酸钾 βC-O-碳酸钾-二维2D-IR 光谱研究（950～850 cm-1）

在950～850 cm-1频率范围内，开展了碳酸钾βC-O-碳酸钾-二维的同步 2D-IR 光谱研究，结果见图 6（a）。在950～850 cm-1频率范围内，继续开展了碳酸钾νsC-O-碳酸钾-二维的异步2D-IR光谱研究，结果见图6（b）。

由图 6（a）可见，首先在（875 cm-1，875 cm-1）频率附近发现了1个相对强度较大的自动峰。由图6（b）可知，在（874 cm-1，880 cm-1）频率附近发现 1 个相对强度较大的交叉峰。碳酸钾 βC-O-碳酸钾-二维的2D-IR 光谱数据证明，其对应的吸收频率包括：880（βC-O-1-碳酸钾-二维）和874 cm-（1βC-O-2-碳酸钾-二维）。热扰动因素下，碳酸钾 βC-O-碳酸钾-二维吸收峰变化快慢的顺序为：874 cm-1（βC-O-2-碳酸钾-二维）＞880 cm-（1βC-O-1-碳酸钾-二维）。

2.3.4 碳酸钾 γC-O-碳酸钾-二维2D-IR 光谱研究（750～650 cm-1）

图 6 碳酸钾 βC-O-碳酸钾-二维的 2D-IR 光谱（950～850 cm-1）

在750～650 cm-1频率范围内，开展了碳酸钾γC-O-碳酸钾-二维的同步 2D-IR 光谱研究，结果见图 7（a）。在750～650 cm-1频率范围内，继续开展了碳酸钾 γsC-O-碳酸钾-二维的异步 2D-IR 光谱研究，结果见图 7（b）。

图 7 碳酸钾 γC-O-碳酸钾-二维的 2D-IR 光谱（750～650 cm-1）

由图 7（a）可知，首先在（701 cm-1，701 cm-1）频率附近发现了1个相对强度较大的自动峰。由图7（b）可知，在（693 cm-1，703 cm-1）频率附近发现 1个相对强度较大的交叉峰。碳酸钾γC-O-碳酸钾-二维的2D-IR光谱数据证明，其对应的吸收频率包括：703 cm-1（γC-O-1-碳酸钾-二维）和693 cm-1（γC-O-2-碳酸钾-二维）。热扰动因素下，碳酸钾 γC-O-碳酸钾-二维吸收峰变化快慢的顺序为：693 cm-1（γC-O-2-碳酸钾-二维）＞703 cm-1（γC-O-1-碳酸钾-二维）。

3 结论

碳酸钾主要存在着 νasCO3-碳酸钾、νsCO3-碳酸钾、γCO3-碳酸钾和 βCO3-碳酸钾4种红外吸收模式。在303～523 K的温度范围内，碳酸钾主要官能团对应的红外吸收频率及强度都有明显的改变。而热扰动因素下，碳酸钾（νsCO3-碳酸钾、γCO3-碳酸钾和 βCO3-碳酸钾） 对应的红外吸收峰显示出不同的变化快慢信息。本文采用三级IR光谱技术开展了重要的无机化合物（碳酸钾）结构及热稳定性的研究，具有重要的应用研究价值和一定的理论研究价值。