Водородное связывание и локальные электростатические взаимодействия в неэмпирической аналитической модели гидратной оболочки ионов
Аннотация
Как известно, путаница, связанная с объемом гидратной оболочки иона, является скорее мнимой и искусственной, чем реальной, поскольку экспериментальное число гидратации, определенное для любого иона, в общем случае зависит от метода измерения. Существующие в настоящее время теоретические модели не обладают необходимой универсальностью и не способны обойтись без эмпирических параметров. В предлагаемом исследовании, в качестве попытки предотвратить получение неправильных данных, разрабатывается новая модель гидратной оболочки иона, основанная на его топологических, электростатических и гидрофильных свойствах. Серьезной трудностью в разработке неэмпирического подхода к моделированию для описания явления сольватации является знание того, как диэлектрическая проницаемость зависит от расстояния от центрального иона в месте образования гидратной оболочки. В недавних работах автора аналитически получено полезное неэмпирическое выражение для зависимости диэлектрической проницаемости от расстояния. Энергия гидратации описывается с учетом не только локальной диэлектрической проницаемости, но и типа взаимодействия между ионами и молекулами воды и формы многослойной гидратной оболочки. Предложено геометрическое представление первого гидратного слоя сферического иона в виде Платоновых тел. Так, икосаэдр относится к «структурообразующим» ионам, а додекаэдр – к «структуроразрушающим». Показано, как число гидратации иона зависит от ионного радиуса, заряда и способности иона к образованию водородных связей. Проведены расчеты, относящиеся к рядам катионов и анионов.
Скачивания
Литература
Hinton J.F., Amis E.S. Solvation numbers of ions, Chem Rev. 1971; 71: 627. https://doi.org/10.1021/cr60274a003
Zhou J., Lu X., Wang Y., Shi J. Mo-lecular dynamics study on ionic hydration, Fluid Phase Equilibria. 2002; 257: 194-197. https://doi.org/10.1016/S0378-3812(01)00694-X
Marcus Y. Effect of Ions on the Structure of Water: Structure Making and Breaking, Chem Rev. 2009; 109: 1346. https://doi.org/10.1021/cr8003828
Chen H., Ruckenstein E., Hydration Ions: From Individual Ions to Ion Pairs to Ion Clusters, J Phys Chem B. 2015; 119; 12671. https://doi.org/10.1021/acs.jpcb.5b06837
Liu Ch., Min F., Liu L., Chen J. Hy-dration properties of alkali and alkaline earth metal ions in aqueous solution: A mo-lecular dynamics study, Chem Phys Let. 2019; 727: 31. https://doi.org/10.1016/j.cplett.2019.04.045
Marcus Y. A simple empirical mod-el describing the thermodynamics of hydra-tion of ions of widely varying charges, siz-es, and shapes. Biophys Chem. 1994; 5l: 111.
Baldanov M.M., Mokhosoev M.V., Tanganov B.B. Non-empirical calculation of solvation numbers of ions in solutions, Doklady AN SSSR. 1989; 308: 106. (In Russ.)
Suresh S.J., Satish A.V., Choudhary A. Influence of electric field on the hydro-gen bond network of water, J Chem Phys. 2006; 124: 074506. https://doi.org/10.1063/1.2162888
Smith J.D., Saykally R.J., Geissler P.L. The effects of dissolved halide anions on hydrogen bonding in liquid water, J Am Chem Soc. 2007; 129: 13847. https://doi.org/10.1021/ja071933z
Mancinelli R., Botti A., Bruni F., Ricci M.A., Soper A.K. Perturbation of wa-ter structure due to monovalent ions in so-lution, Phys Chem Chem Phys; 2007; 9: 2959. https://doi.org/10.1039/B701855J
Hasted J.B., Ritson D.M., Collie C.H. Dielectric Properties of Aqueous Ionic Solutions. Parts I and II, J Chem Phys. 1948; 16: 1.
Hasted J.B., Aqueous Dielectrics, Chapman and Hall, London, 1973 302 p.
Robinson R.A., Stokes R.H., Elec-trolyte Solutions, Butterworths Sci. Publ., London, 1959. 590 p.
Mehler E.L., Eichele G. Electrostat-ic effects in water-accessible regions of proteins, Biochemistry. 1984; 23: 3887. https://doi.org/ 10.1021/bi00312a015
Hingerty B.E., Ritchie R.H., Ferrell T.L., Turner J.E. Dielectric effects in bi-opolymers: The theory of ionic saturation revised, Biopolymers. 1985; 24: 427. https://doi.org/10.1002/bip.360240302
Mallik B., Masunov A. Th. Laz-aridis, Distance and exposure dependent effective dielectric function, J Comp Chem. 2002; 23: 1090. https://doi.org/ 10.1002/jcc.10104
Haberthür U., Majeux N., Werner Ph., Caflisch A. Efficient evaluation of the effective dielectric function of a macro-molecule in aqueous solution, J Comp Chem. 2003; 24: 1936. https://doi.org/10.1002/jcc.10317
Liu J-L., Eisenberg B. Molecular mean-field theory of ionic solutions: A Poisson-Nernst-Planck-Bikerman model, Entropy. 2020; 22: 1099. https://doi.org/10.3390/e22050550
Dolgonosov A.M. Expression for effective dielectric permittivity of polar liquid at molecular scale, Theor Chem Acc. 2022; 141; 47. https://doi.org/10.1007/s00214-022-02909-2
Schulz F., Hartke B. Dodecahedral Clathrate Structures and Magic Numbers in Alkali Cation Microhydration Clusters, ChemPhysChem, 2002, 3: 98.
Gonzalez B.S., Hernandez-Rojas J., Wales D.J., Global minima and energetics of Li+(H2O)n and Ca2+(H2O)n clusters for n < 20, Chemical Physics Letters. 2005; 412: 23.
Llanio-Trujillo J.L., Marques J.M.C., Pereira F.B. New insights on lithi-um-cation microsolvation by solvents forming hydrogen-bonds: Water versus methanol, Computational and Theoretical Chemistry. 2013; 1021: 124.
Dolgonosov A.M. Problems of the Theory of Ion Exchange II: Selectivity of Ion Exchangers, Russ J Phys Chem. 2022; 96: 2515. https://doi.org/10.1134/S0036024422110085
Dolgonosov A.M. Problems of the theory of ion exchange I: Describing forces of ion exchange in classical systems, Russ J Phys Chem. 2022; 96: 2252. https://doi.org/10.1134/S0036024422100089
Frisch H.L., Sonnenblick E., Vyssotsky V.A., Hammersley J.M. Critical Percolation Probabilities (Site Problem), Phys. Rev. 1961; 124; 1021. https://doi.org/10.1103%2FPhysRev.124.1021
Stauffer D., Aharony A. Introduc-tion to percolation theory: Taylor & Fran-cis, London, 1992. 181 p. https://doi.org/10.1201/9781315274386
Dolgonosov A.M. Understanding hydrogen bonding in terms of the theory of generalized charges. J Struct Chem. 2019; 60: 1693. https://doi.org/10.1134/S0022476619110015
Dolgonosov A.M. A model of hy-drogen bond formation between the mole-cules in vapor and liquid. J Struct Chem. 2020; 61: 1045. https://doi.org/10.1134/S0022476620070069
Marcus Y. Thermodynamics of solvation of ions. Part 5. Gibbs free energy of hydration at 298.15 K, J Chem Soc Far-aday Trans. 1991; 87: 2995. https://doi.org/10.1039/FT9918702995
CRC Handbook of Chemistry and Physics (95th ed.), Ed. by WM Hayes (2014) CRC Press.
Sidey V. On the effective ionic ra-dii for ammonium, Acta Cryst B. 2016; 72: 626. https://doi.org/10.1107/S2052520616008064
