✖


Jump to content

Водный кластер

Гипотетический (H 2 O) 100 икосаэдрический кластер воды и лежащая в его основе структура.

В химии — водный кластер это дискретный связанный водородными связями или кластер молекул , воды узел , . [ 1 ] [ 2 ] Многие такие кластеры были предсказаны теоретическими моделями ( in silico ), а некоторые были обнаружены экспериментально в различных контекстах, таких как лед , жидкая вода, в газовой фазе , в разбавленных смесях с неполярными растворителями и в виде гидратной воды. в кристаллических решетках . Простейшим примером является димер воды (H 2 O) 2 .

Кластеры воды были предложены в качестве объяснения некоторых аномальных свойств жидкой воды , таких как необычное изменение ее плотности в зависимости от температуры. Кластеры воды также участвуют в стабилизации некоторых супрамолекулярных структур. [ 3 ] Ожидается, что они также будут играть роль в гидратации молекул и ионов, растворенных в воде. [ 4 ] [ 5 ]

Теоретические предсказания

[ редактировать ]

Детальные модели воды предсказывают возникновение водных кластеров как конфигураций молекул воды, полная энергия которых является локальным минимумом. [ 6 ] [ 7 ] [ 8 ]

Особый интерес представляют циклические кластеры (H 2 O) n ; было предсказано, что они существуют для n = от 3 до 60. [ 9 ] [ 10 ] [ 11 ] При низких температурах около 50% молекул воды входят в кластеры. [ 12 ] Обнаружено, что с увеличением размера кластера расстояние между кислородом уменьшается, что объясняется так называемыми кооперативными многочастичными взаимодействиями: из-за изменения распределения заряда молекула-акцептор H становится лучшей молекулой-донором H с каждым расширением кластера. водяная сборка. Кажется, существует множество изомерных форм гексамера (H 2 O) 6 : от кольца, книги, сумки, клетки до формы призмы с почти одинаковой энергией. существуют два клеточных изомера Для гептамеров (H 2 O) 7 , а для октамеров (H 2 O) 8 встречаются либо циклические, либо имеющие форму куба.

Другие теоретические исследования предсказывают кластеры с более сложной трехмерной структурой. [ 13 ] Примеры включают фуллереноподобный кластер (H 2 O) 28 , названный водяным бакиболом сеть- монстр из 280 молекул воды , и икосаэдрическую (каждая молекула воды координируется с 4 другими). Последний диаметром 3 нм состоит из вложенных друг в друга икосаэдрических оболочек с 280 и 100 молекулами. [ 14 ] [ 15 ] Существует также дополненная версия с еще одной оболочкой из 320 молекул. С добавлением каждой оболочки повышается стабильность. [ 16 ] Существуют теоретические модели водных кластеров, состоящих из более чем 700 молекул воды. [ 17 ] [ 18 ] но они не наблюдались экспериментально. Одно направление исследований использует инварианты графов для создания топологий водородных связей и прогнозирования физических свойств кластеров воды и льда. Полезность графовых инвариантов была показана в исследовании, рассматривающем клетку (H 2 O) 6 и додекаэдр (H 2 O) 20 , которые связаны примерно с тем же расположением атомов кислорода, что и в твердой и жидкой фазах воды. [ 19 ]

Экспериментальные наблюдения

[ редактировать ]

Экспериментальное исследование любых супрамолекулярных структур в объемной воде затруднено из-за их короткого времени жизни: водородные связи постоянно разрываются и реформируются со временем, превышающим 200 фемтосекунд. [ 20 ]

Тем не менее, кластеры воды наблюдались в газовой фазе и в разбавленных смесях воды и неполярных растворителей, таких как бензол и жидкий гелий . [ 21 ] [ 22 ] Экспериментальное обнаружение и характеристика кластеров было достигнуто с помощью следующих методов: спектроскопия дальнего инфракрасного диапазона | дальний инфракрасный диапазон (FIR), [ 23 ] вибро-вращательная туннельная спектроскопия | вибро-вращательное туннелирование (ВРТ), [ 24 ] H-ЯМР, [ 25 ] [ 26 ] и дифракция нейтронов. [ 27 ] Установлено, что гексамер имеет плоскую геометрию в жидком гелии, конформацию стула в органических растворителях и каркасную структуру в газовой фазе. Эксперименты, сочетающие ИК-спектроскопию с масс-спектрометрией, выявили кубические конфигурации кластеров в диапазоне n=(8-10).

Когда вода является частью кристаллической структуры, как в гидрате , можно дифракцию рентгеновских лучей использовать . С помощью этого метода была определена конформация водного гептамера (циклическая скрученная непланарная). [ 28 ] [ 29 ] многослойных кластерах воды с формулой (H 2 O) 100 , захваченных внутри полостей нескольких кластеров полиоксометаллата. Кроме того, Mueller et al. сообщили о [ 30 ] [ 31 ]

Кластерные модели объемной жидкой воды

[ редактировать ]

Некоторые модели пытаются объяснить объемные свойства воды, предполагая, что в них преобладает образование кластеров внутри жидкости. [ 32 ] Согласно теории квантово-кластерного равновесия (QCE) жидкостей, в объемной фазе жидкой воды доминируют кластеры n = 8, за которыми следуют кластеры n = 5 и n = 6. Рядом с тройной точкой подразумевается наличие кластера n=24. [ 33 ] В другой модели объем воды состоит из смеси гексамерных и пентамерных колец, содержащих полости, способные содержать небольшие растворенные вещества. В еще одной модели существует равновесие между кубическим октамером воды и двумя циклическими тетрамерами. [ 34 ] Однако ни одна из этих моделей пока не воспроизвела экспериментально наблюдаемый максимум плотности воды в зависимости от температуры.

См. также

[ редактировать ]

Ссылки

[ редактировать ]
  1. ^ Ксанфей, Сотирис; Даннинг-младший, Торн (1993). «Ab initio исследования циклических кластеров воды (H2O)n, n=1–6. I. Оптимальные структуры и колебательные спектры». Журнал химической физики . 99 (11): 8774–8792. Бибкод : 1993JChPh..99.8774X . дои : 10.1063/1.465599 .
  2. ^ Ральф Людвиг (2001). «Вода: от кластеров к массе». Энджью. хим. Межд. Эд. 40 (10): 1808–1827. doi : 10.1002/1521-3773(20010518)40:10<1808::AID-ANIE1808>3.0.CO;2-1 . ПМИД   11385651 .
  3. ^ Гош, Суджит; Бхардвадж, Паримал (2004). «Додекамерный водный кластер, построенный вокруг циклического квазиплоского гексамерного ядра в органическом супрамолекулярном комплексе криптанда». Ангеванде Хеми . 116 (27): 3661–3664. Бибкод : 2004АнгЧ.116.3661Г . дои : 10.1002/ange.200454002 .
  4. ^ А.Д. Кулкарни; СР Гадре; С. Нагасе (2008). «Квантово-химические и электростатические исследования анионных кластеров воды (H 2 O) n − ". Журнал молекулярной структуры: THEOCHEM . 851 (1–3): 213. doi : 10.1016/j.theochem.2007.11.019 .
  5. ^ А.Д. Кулкарни; К. Бабу; Ж. Дж. Бартолотти; СР Гадре. (2004). «Изучение закономерностей гидратации альдегидов и амидов: исследования ab initio». Дж. Физ. хим. А. ​ 108 (13): 2492. Бибкод : 2004JPCA..108.2492K . дои : 10.1021/jp0368886 .
  6. ^ Фаулер, П.В., Куинн, К.М., Редмонд, Д.Б. (1991) Декорированные фуллерены и модельные структуры для кластеров воды, Журнал химической физики, Vol. 95, № 10, с. 7678.
  7. ^ Койч, Ф. Н. и Сайкалли, Р. Дж. (2001) Кластеры воды: распутывание тайн жидкости, по одной молекуле за раз, PNAS, Vol. 98, № 19, стр. 10533–10540.
  8. ^ Махешвари, Шрути; Патель, Нитин; Сатьямурти, Нараянасами; Кулкарни, Ананд (2001). «Структура и стабильность кластеров воды (H2O)n, n = 8-20». Журнал физической химии А. 105 : 10525–10537. дои : 10.1021/jp013141b .
  9. ^ А.Д. Кулкарни; Р.К. Патхак; ЖЖ Бартолотти. (2005). «Структура, энергетика и колебательные спектры кластеров H2O2···(H2O)n, n = 1–6: квантово-химические исследования Ab Initio». Дж. Физ. хим. А. ​ 109 (20): 4583–90. Бибкод : 2005JPCA..109.4583K . дои : 10.1021/jp044545h . ПМИД   16833795 .
  10. ^ С. Махешвари; Н. Патель; Н. Сатьямурти; А.Д. Кулкарни; СР Гадре (2001). «Структура и стабильность кластеров воды (H 2 O) n , n = 8-20: исследование Ab Initio ». Дж. Физ. хим. А. ​ 105 (46): 10525. Бибкод : 2001JPCA..10510525M . дои : 10.1021/jp013141b .
  11. ^ Игнатов, Игнат; Глухчев, Георгий; Нешев, Николай; Механджиев, Димитар (2021). «Структурирование кластеров воды в зависимости от энергии водородных связей в электрохимически активированных водах-анолите и католите». Болгарские химические коммуникации . 53 (2): 234–239.
  12. ^ Гао, Итянь; Фанг, Хунвэй; Ни, Ке (2021). «Метод иерархической кластеризации сетей водородных связей в жидкой воде, подвергающейся сдвиговому потоку» . Научные отчеты . 11 (1): 9542. Бибкод : 2021NatSR..11.9542G . дои : 10.1038/s41598-021-88810-7 . ПМК   8100111 . ПМИД   33953246 .
  13. ^ Г.С. Фанургакис; Э. Апра; В.А. де Йонг; СС Ксанфей (2005). «Высокоуровневые расчеты ab initio для четырех низколежащих семейств минимумов (H 2 O) 20 . II. Спектроскопические признаки додекаэдра, слитых кубов, пятиугольных призм с разделением граней и пятиугольных призм с общими ребрами. сети водородных связей». Дж. Хим. Физ. 122 (13): 134304. Бибкод : 2005JChPh.122m4304F . дои : 10.1063/1.1864892 . ПМИД   15847462 .
  14. ^ Токмачев А.М., Чугреев А.Л., Дронсковский Р. (2010) Сети водородных связей в кластерах воды (H 2 O) 20 : Исчерпывающий квантово-химический анализ, ChemPhysChem, Vol. 11, №2, стр. 384–388.
  15. ^ Сайкс, М. (2007) Моделирование пар оснований РНК в нанокапельке выявляет сольватационно-зависимую стабильность, PNAS, Vol. 104, № 30, стр. 12336–12340.
  16. ^ Лобода, Александр; Гончарук, Владислав (2010). «Теоретическое исследование икосаэдрических кластеров воды» . Письма по химической физике . 484 (4–6): 144–147. Бибкод : 2010CPL...484..144L . дои : 10.1016/j.cplett.2009.11.025 .
  17. ^ Чаплин, М.Ф. (2013) Что такое жидкая вода, Наука в обществе, Вып. 58, 41-45.
  18. ^ Зенин, С.В. (2002) Вода, Федеральный центр традиционных методов диагностики и лечения, Москва.
  19. ^ Куо, Джер-Лай; Коу, Джеймс; Певец, Шервин (2001). «Об использовании инвариантов графов для эффективного создания топологий водородных связей и прогнозирования физических свойств кластеров воды и льда». Журнал химической физики . 114 (6): 2527–2540. Бибкод : 2001JChPh.114.2527K . дои : 10.1063/1.1336804 .
  20. ^ Смит, Джаред Д.; Кристофер Д. Каппа; Кевин Р. Уилсон; Рональд К. Коэн; Филип Л. Гейсслер; Ричард Дж. Сайкалли (2005). «Единое описание температурно-зависимых перегруппировок водородных связей в жидкой воде» (PDF) . Учеб. Натл. акад. наук. США . 102 (40): 14171–14174. Бибкод : 2005PNAS..10214171S . дои : 10.1073/pnas.0506899102 . ПМЦ   1242322 . ПМИД   16179387 .
  21. ^ Си Джей Грюнло; Дж. Р. Карни; Калифорния Аррингтон; Т.С. Цвир; С. Я. Фредерикс; К.Д. Джордан (1997). «Инфракрасный спектр молекулярного кубика льда: октамеры воды S4 и D2d в бензоле-(воде)8». Наука . 276 (5319): 1678. doi : 10.1126/science.276.5319.1678 .
  22. ^ г-н Виант; Джей Ди Крузан; Д.Д. Лукас; М.Г. Браун; К. Лю; Р. Дж. Сайкалли (1997). «Псевдоровращение в изотопомерах водного тримера с использованием терагерцовой лазерной спектроскопии». Дж. Физ. хим. А. ​ 101 (48): 9032. Бибкод : 1997JPCA..101.9032V . дои : 10.1021/jp970783j .
  23. ^ Лю, Кун; Феллерс, Раймонд; Виант, Марк; Маклафлин, Райан; Браун, Мак; Сайкалли, Ричард (1996). «Импульсный щелевой клапан с большой длиной пути, подходящий для работы при высоких температурах: инфракрасная спектроскопия охлажденных струей больших водных кластеров и нуклеотидных оснований». Обзор научных инструментов . 67 (2): 410–416. Бибкод : 1996RScI...67..410L . дои : 10.1063/1.1146605 .
  24. ^ Лю, Кун; Крузан, Джеффри; Сайкалли, Ричард (1996). «Водные кластеры». Наука . 271 (5251): 929–933. Бибкод : 1996Sci...271..929L . дои : 10.1126/science.271.5251.929 . S2CID   220091855 .
  25. ^ Туров Владимир; Крупская, Татьяна; Барвинченко Валентина; Липковская, Наталья; Картель, Николай; Суворова, Людмила (2016). «Особенности образования кластеров воды на поверхности дисперсного KCl: Влияние гидрофобного кремнезема и органических сред». Коллоиды и поверхности А . 499 : 97–102. doi : 10.1016/j.colsurfa.2016.03.069 .
  26. ^ Ока, Коуки; Сибуэ, Нацухико; Сугимука, Нацухико; Ватабе, Юки; Винтер-Йенсен, Бьёрн; Хироюки, Вишиде (2019). «Долгоживущие кластеры воды в гидрофобных растворителях, исследованные стандартными методами ЯМР» . Научные отчеты . 223 (1): 223. Бибкод : 2019НатСР...9..223О . дои : 10.1038/s41598-018-36787-1 . ПМК   6338722 . ПМИД   30659206 . S2CID   58026218 .
  27. ^ Ёсида, Кодзи; Ишуда, Сигеру; Ямагути, Тосио (2019). «Водородная связь и кластеры в сверхкритической смеси метанол-вода по данным дифракции нейтронов с замещением H/D в сочетании с эмпирическим потенциальным моделированием уточнения структуры». Молекулярная физика . 117 (22): 3297–3310. Бибкод : 2019МолФ.117.3297Y . дои : 10.1080/00268976.2019.1633481 . S2CID   198343685 .
  28. ^ МХ Мир; Джей Джей Виттал (2007). «Фазовый переход, сопровождаемый превращением неуловимого дискретного циклического гептамера воды в бициклический кластер (H 2 O) 7 ». Энджью. хим. Межд. Эд. 46 (31): 5925–5928. дои : 10.1002/anie.200701779 . ПМИД   17577896 .
  29. ^ Он, У.Дж.; Луо, Г.-Г.; Ву, Д.-Л.; Лю, Л.; Ся, Ж.-Х.; Ли, Д.-Х.; Дай, Ж.-К.; Сяо, З.-Ж. (2012). «Гептамерный водный кластер с нечетным номером, содержащий сморщенный пентамер, самоорганизующийся в полимерное твердое вещество Ag (I)» . Неорганическая химия . 18 : 4–7. дои : 10.1016/j.inoche.2011.12.036 . Проверено 31 июля 2022 г.
  30. ^ Т. Митра; П. Миро; А.-Р. Томса; А. Мерка; Х. Бёгге; Дж. Б. Авалос; Дж. М. Поблет; К. Бо; А. Мюллер (2009). «Структуры закрытых и по-разному функционализированных (новых) пористых капсул с прямой инкапсуляцией: вода более высокой и низкой плотности». хим. Евро. Дж. 15 (8): 1844–1852. дои : 10.1002/chem.200801602 . ПМИД   19130528 .
  31. ^ А. Мюллер; Э. Крикемейер; Х. Бёгге; М. Шмидтманн; С. Рой; А. Беркл (2002). «Изменчивые размеры пор, обеспечивающие эффективное и специфическое распознавание с помощью «наносубки» на основе оксида молибдена: на пути к химии сферической поверхности и нанопористых кластеров». Энджью. хим. Межд. Эд. 41 (19): 3604–3609. doi : 10.1002/1521-3773(20021004)41:19<3604::aid-anie3604>3.0.co;2-t . ПМИД   12370905 .
  32. ^ L Shu, L Jegatheesan, V Jegatheesan, CQ Li (2020) Структура воды, Равновесия жидкой фазы 511,
  33. ^ Леманн, SBC; Шпикерманн, К.; Киршнер, Б. (2009). «Теория квантового кластерного равновесия, применяемая при исследовании числа водородных связей в воде. 1. Оценка модели квантового кластерного равновесия для жидкой воды». Журнал химической теории и вычислений . 5 (6): 1640–9. дои : 10.1021/ct800310a . ПМИД   26609856 .
  34. ^ Боровский, Петр; Яронец, Юстина; Яновский, Томаш; Волински, Кшиштоф (2003). «Теория квантового кластерного равновесия, обработка жидкостей с водородными связями: вода, метанол и этанол». Молекулярная физика . 101 (10): 1413. Бибкод : 2003MolPh.101.1413B . дои : 10.1080/0026897031000085083 . S2CID   96921359 .
[ редактировать ]
Retrieved from "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Water_cluster&oldid=1236454157"
Arc.Ask3.Ru: конец переведенного документа.
Arc.Ask3.Ru
Номер скриншота №: 2988167116ba70d7db0256c758b29d1e__1721840640
URL1:https://arc.ask3.ru/arc/aa/29/1e/2988167116ba70d7db0256c758b29d1e.html
Заголовок, (Title) документа по адресу, URL1:
Water cluster - Wikipedia
Данный printscreen веб страницы (снимок веб страницы, скриншот веб страницы), визуально-программная копия документа расположенного по адресу URL1 и сохраненная в файл, имеет: квалифицированную, усовершенствованную (подтверждены: метки времени, валидность сертификата), открепленную ЭЦП (приложена к данному файлу), что может быть использовано для подтверждения содержания и факта существования документа в этот момент времени. Права на данный скриншот принадлежат администрации Ask3.ru, использование в качестве доказательства только с письменного разрешения правообладателя скриншота. Администрация Ask3.ru не несет ответственности за информацию размещенную на данном скриншоте. Права на прочие зарегистрированные элементы любого права, изображенные на снимках принадлежат их владельцам. Качество перевода предоставляется как есть. Любые претензии, иски не могут быть предъявлены. Если вы не согласны с любым пунктом перечисленным выше, вы не можете использовать данный сайт и информация размещенную на нем (сайте/странице), немедленно покиньте данный сайт. В случае нарушения любого пункта перечисленного выше, штраф 55! (Пятьдесят пять факториал, Денежную единицу (имеющую самостоятельную стоимость) можете выбрать самостоятельно, выплаичвается товарами в течение 7 дней с момента нарушения.)