Структура ионно-молекулярных комплексов H+(H2O)n для n = 2 − 6 и термодинамические характеристики гидратации протонов в газовой среде

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Методами квантовой химии исследованы изомеры ионно-молекулярных комплексов H+(H2O)n, включающих до шести молекул воды. Позиции атомов в изомерах, соответствующие глобальному и наиболее глубоким локальным минимумам потенциальной энергии, рассчитаны с использованием алгоритма случайного поиска. Выполнена оценка энергий активации некоторых конфигурационных превращений. В гармоническом приближении определены термодинамические характеристики кластеризации и распада комплексов, которые хорошо согласуются с экспериментальными данными. Показана возможность упрощения теоретического исследования реакций путем усреднения термодинамических характеристик по различным каналам для энергетически близких изомеров. Установлена слабая зависимость энтропии реакции от размера комплекса. Для объяснения результатов вычислений предложена упрощенная модель, использование которой для оценки энтропии реакций кластеризации и распада комплексов дает хорошее согласие с экспериментом.

Об авторах

В. В. Решетняк

ГНЦ РФ Троицкий институт инновационных и термоядерных исследований;Объединенный институт высоких температур Российской академии наук;Владимирский государственный университет им. А. Г. и Н. Г. Столетовых

Email: viktor.reshetnyak84@gmail.com
108840, Троицк, Москва, Россия; 125412, Москва, Россия; 600000, Владимир, Россия

О. Б Решетняк

ГНЦ РФ Троицкий институт инновационных и термоядерных исследований

Email: viktor.reshetnyak84@gmail.com
Россия, 108840, г. Москва, г. Троицк, ул. Пушковых, вл. 12

А. В. Филиппов

Объединенный институт высоких температур Российской академии наук

Автор, ответственный за переписку.
Email: viktor.reshetnyak84@gmail.com
125412, Москва, Россия

Список литературы

  1. Q. Li, J. Jiang, and J. Hao, KONA Powder Particle J. 32, 57 (2015).
  2. Б. М. Смирнов, Физика глобальной атмосферы. Парниковый эффект, атмосферное электричество, эволюция климата, Интеллект, Долгопрудный (2017).
  3. С. Leygraf, I. O. Wallinder, J. Tidblad, and T. Graedel, Atmospheric Corrosion, John Wiley & Sons (2016).
  4. L. W. Sieck, J. T. Heron, and D. S. Green, Plasma Chem. Plasma Proces. 20, 235 (2000).
  5. А. В. Филиппов, И. Н. Дербенев, Н. А. Дятко, С. А. Куркин, Г. Б. Лопанцева, А. Ф. Паль, А. Н. Старостин, ЖЭТФ 152, 293 (2017).
  6. P. Kebarle, S. K. Searles, A. Zolla, J. Scarborough, and M. Arshadi, J. Amer. Chem. Soc. 89, 6393 (1967).
  7. F. H. Field and D. P. Beggs, J. Amer. Chem. Soc. 93, 1576 (1971).
  8. A. J. Cunningham, J. D. Payzant, and P. Kebarle, J. Amer. Chem. Soc. 94, 7627 (1972).
  9. Y. K. Lau, S. Ikuta, and P. Kebarle, J. Amer. Chem. Soc. 104, 1462 (1982).
  10. M. Meot-Ner and C. V. Speller, J. Phys. Chem. 90, 6616 (1986).
  11. K. D. Froyd and E. R. Lovejoy, J. Phys. Chem. A 107, 9800 (2003).
  12. Y. Nakai, H. Hidaka, N. Watanabe, and T. M. Kojima, J. Chem. Phys. 144, 224306 (2016).
  13. K. A. Servage, J. A. Silveira, K. L. Fort, and D. H.Russell, Phys. Chem. Lett. 5, 1825 (2014).
  14. J. W. Shin, N. I. Hammer, E. G. Diken, M. A. Johnson, R. S. Walters, T. D. Jaeger, M. A. Duncan, R. A. Christie, and K. D. Jordan, Science 304, 1137 (2004).
  15. K. Mizuse, N. Mikami, and A. Fujii, Angewandte Chemie International Edition 49, 10119 (2010).
  16. T. F. Magnera, D. E. David, and J. Michl, Chem. Phys. Lett. 182, 363 (1991).
  17. Z. Shi, J. V. Ford, S. Wei, and A. W. Castleman, J. Chem. Phys. 99, 8009 (1993).
  18. C. E. Klots, Z. Physik D Atoms, Mol. Clusters 21, 335 (1991).
  19. H. A. Schwarz, J. Chem. Phys. 67, 5525 (1977).
  20. M. H. Begemann, C. S. Gudeman, J. Pfa, and R. J. Saykally, Phys. Rev. Lett. 51, 554 (1983).
  21. M. H. Begemann and R. J. Saykally, J. Chem. Phys. 82, 3570 (1985).
  22. M. Gruebele, M. Polak, and R.J. Saykally, J. Chem. Phys. 87, 3347 (1987).
  23. D.-J. Liu, N. N. Haese, and T. Oka, J. Chem. Phys. 82, 5368 (1985).
  24. D.-J. Liu and T. Oka, J. Chem. Phys. 84, 1312 (1986).
  25. L. I. Yeh, M. Okumura, J. D. Myers, J. M. Price, and Y. T. Lee, J. Chem. Phys. 91, 7319 (1989).
  26. L. I. Yeh, Y. T. Lee, and J. T. Hougen, J. Molec. Spectr. 164, 473 (1994).
  27. J. Tang and T. Oka, J. Molec. Spectr. 196, 120 (1999).
  28. J.-C. Jiang, Y.-S. Wang, H.-C. Chang, S. H. Lin, Y. T. Lee, G. Niedner-Schatteburg, and H.-Ch. Chang, J. Amer. Chem. Soc. 122, 1398 (2000).
  29. J. M. Headrick, E. G. Diken, R. S. Walters, N. I. Hammer, R. A. Christie, J. Cui, E. M. Myshakin, M. A. Duncan, M. A. Johnson, and K. D. Jordan, Science 308, 1765 (2000).
  30. G. E. Douberly, R. S. Walters, J. Cui, K. D. Jordan, and M. A. Duncan, J. Phys. Chem. A 114, 4570 (2010).
  31. F. Agostini, R. Vuilleumier, and G. Ciccotti, J. Chem. Phys. 134, 084303 (2011).
  32. K. Mizuse and A. Fujii, Phys. Chem. Chem. Phys. 13, 7129 (2011).
  33. G. M. Chaban, J. O. Jung, and R. B. Gerber, J. Phys. Chem. A 104, 2772 (2000).
  34. M. Park, I. Shin, N. J. Singh, and K. S. Kim, J. Phys. Chem. A 111, 10692 (2007).
  35. M. Baer, D. Marx, and G. Mathias, Chem. Phys. Chem. 12, 1906 (2011).
  36. Q. Yu and J. M. Bowman, J. Phys. Chem. A 123, 1399 (2019).
  37. П. Робинсон, К. Холбрук, Мономолекулярные реакции, Мир, Москва (1975).
  38. В. М. Замалин, Г. Э. Норман, В. С. Филинов, Метод Монте-Карло в статистической термодинамике, Наука, Москва (1977).
  39. Д. Френкель, Б. Смит, Принципы компьютерного моделирования молекулярных систем, Научный мир, Москва (2013).
  40. С. В. Шевкунов, Ж. физ. химии 78, 1808 (2004).
  41. K. Suzuki, M. Shiga, and M. Tachikawa, J. Chem. Phys. 129, 144310 (2008).
  42. X. Z. Li, B. Walker, and A. Michaelides, Proc. Nat. Acad. Sci. 108, 6369 (2011).
  43. C. L. Vaillant, D. J. Wales, and S. C. Althorpe, Phys. Chem. Lett. 10, 7300 (2019).
  44. Л. Д. Ландау, Е. М. Лившиц, Теоретическая физика. Статистическая физика, ч. 1, т. 5, Наука, Москва (1964).
  45. Yangsoo Kim and Yongho Kim, Chem. Phys. Lett. 362, 419 (2002).
  46. A. V. Lebedev, J. Analyt. Chem. 74, 1325 (2019).
  47. S. M. Woodley, T. Lazauskas, M. Illingworth, A. C. Carter, and A. A. Sokol, Faraday Discussions 2011, 593 (2018).
  48. M. P. Hodges and D. J. Wales, Chem. Phys. Lett. 324, 279 (2000).
  49. R. A. Christie and K. D. Jordan, J. Phys. Chem. A 105, 7551 (2001).
  50. J.-L. Kuo and M. L. Klein, J. Chem. Phys. 122, 024516 (2005).
  51. Y. Luo, S. Maeda, and K. Ohno, J.Comput. Chem. 30, 952 (2009).
  52. O. C. Nguyen, Y.-S. Ong, and J.-L. Kuo, J. Chem. Theory Comput. 5, 2629 (2009).
  53. R. E. Kozack and P. C. Jordan, J. Chem. Phys. 96, 3131 (1992).
  54. M. P. Hodges and A. J. Stone, J. Chem. Phys. 110, 6766 (1999).
  55. https:www-wales.ch.cam.ac.ukCCD.html
  56. Н. Н. Калиткин, Численные методы, БХВ-Петербург, Санкт-Петербург (2011).
  57. T. D. Ku¨hne, M. Iannuzzi, M. D. Ben et al., J. Chem. Phys. 152, 194103 (2020).
  58. A. H. Larsen, J. J. Mortensen, J. Blomqvist et al., J. Phys.: Cond. Matt. 29, 273002 (2017).
  59. S. Grimme, C. Bannwarth, and P. Shushkov, J. Chem. Theory Comput. 13, 1989 (2017).
  60. A. D. Becke, Phys. Rev. A 38, 3098 (1988).
  61. C. Lee, W. Yang, and R. G. Parr, Phys. Rev. B 37, 785 (1988).
  62. F. Weigend and R. Ahlrichs, Phys. Chem. Chem. Phys. 7, 3297 (2005).
  63. Chr. Møller and M. S. Plesset, Phys. Rev. 46, 618 (1937).
  64. D. Rappoport and F. Furche, J. Chem. Phys. 133, 134105 (2010).
  65. S. Grimme, J.Comp. Chem. 27, 1787 (2006).
  66. S. Grimme, J. Antony, S. Ehrlich, and H. Krieg, J. Chem. Phys. 132, 154104 (2010).
  67. Y. Andersson, D. C. Langreth, and B. I. Lundqvist, Phys. Rev. Lett. 76, 102 (1996).
  68. E. C. Lee, H. M. Lee, P. Tarakeshwar, and K. S. Kim, J. Chem. Phys. 119, 7725 (2003).
  69. J. S. Rao, T. C. Dinadayalane, J. Leszczynski, and G. N. Sastry, J. Phys. Chem. A 112, 12944 (2008).
  70. V. S. Bryantsev, M. S. Diallo, A. C. T. van Duin, and W. A. Goddard, J. Chem. Theory Comput. 5, 1016 (2009).
  71. M. Del Ben, M. Sch¨onherr, J. Hutter, and J. Vande-Vondele, J. Phys. Chem. Lett. 4, 3753 (2013).
  72. M. Del Ben, J. Hutter, and J. VandeVondele, J. Chem. Phys. 143, 054506 (2015).
  73. M. Feyereisen, G. Fitzgerald, and A. Komornicki, Chem. Phys. Lett. 208, 359 (1993).
  74. M. Del Ben, J. Hutter, and J. VandeVondele, J. Chem. Theory Comput. 9, 2654 (2013).
  75. S.H. Vosko, L. Wilk, M. Nusair, Canad. J. Phys. 58, 1200 (1980).
  76. J. P. Perdew, K. Burke, and M. Ernzerhof, Phys. Rev. Lett. 77, 3865 (1996).
  77. A. D. Becke, J. Chem. Phys. 98, 1372 (1993).
  78. Y. Zhao and D.G. Truhlar, Theor. Chem. Accounts 120, 215 (2008).
  79. https://www.researchgate.net/publication/369203964_structuresxyz
  80. S. Maheshwary, N. Patel, N. Sathyamurthy, A. D. Kulkarni, and S. R. Gadre, J. Phys. Chem. A 105, 10525 (2001).
  81. F. Yang, X. Wang, M. Yang, A. Krishtal, C. Van Alsenoy, P. Delarue, and P. Senet, Phys. Chem. Chem. Phys. 12, 9239 (2010).
  82. A. S. Bednyakov, N. F. Stepanov, and Yu. V. Novakovskaya, Russ. J. Phys. Chem. A 88, 287 (2014).
  83. S. S. Xantheas, J. Chem. Phys. 100, 7523 (1994).
  84. А. А. Радциг, Б. М. Смирнов, Справочник по атомной и молекулярной физике, Атомиздат, Москва (1980).
  85. J. Rodriguez, E. J. Marceca, and D. A. Estrin, J. Chem. Phys. 110, 9039 (1999).
  86. W. A. Adeagbo and P. Entel, Phase Transitions 77, 63 (2004).
  87. C. Hock, M. Schmidt, R. Kuhnen, C. Bartels, L. Ma, H. Haberland, and B. v. Issendor, Phys. Rev. Lett. 103, 073401 (2009).
  88. И. К. Кикоин, Таблицы физических величин. Справочник, Атомиздат, Москва (1976).
  89. Д. Эверет, Введение в химическую термодинамику, Изд-во иностр. лит., Москва (1963).

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать

© Российская академия наук, 2023