模拟解决200岁的离子神秘的水

最先进的模拟解决了一个难题,科学家们困惑了两个世纪左右的神秘为什么积极水合氢离子扩散几乎两倍-氢氧化同行在水里。

在纯水、氢氧根离子和水合氢离子存在于相同的数量。他们在水中运动是化学反应的基础,以及酸碱化学。他们自然的形式,因为水分子相互反应self-ionisation过程中引起的质子转移。水分子deprotonate,或失去他们的一个氢原子的原子核,成为氢氧化(哦^{- - - - - -})阴离子。与此同时,剩下的氢原子核立即使质子化其他水分子形成水合氢离子(H₃O⁺)阳离子。

众所周知,水合氢离子扩散速度比氢氧根离子水合氢离子是质子转移。水合氢离子经常同时传输多个质子以及邻近水分子氢键,分子在一系列的啤酒花跨几个水分子水合氢离子的加速扩散。同时,质子转移氢氧根离子和水分子之间更频繁和通常发生一次一跳。

尽管两个世纪的密集调查这些离子溶剂化物和分散在水中,为什么氢氧根离子转移的潜在机制更少的质子,因此扩散慢于水合氢离子仍是个谜。现在,美国研究人员罗伯特的车普林斯顿大学和Xifan吴坦普尔大学(Temple University)和他的同事们已经找到了答案使用分子动力学模拟。

我们建立了一个先进的理论方案的质子转移的影响水离子可以准确地模仿和理解,”吴解释道。要做到这一点,研究人员利用密度泛函理论(DFT)模型问题。

然而,DFT之前缺乏准确性来解决这个难题有两个原因:一个错误引起的自动调节电子和DFT远程弱的分子间作用力的影响被忽视,这两种影响的建模结构液态水。通过减少自动调节误差和包括弱分子间相互作用的模拟,研究人员证实,水合氢离子喜欢中质子转移共同跳跃的两倍和三倍,因此扩散得更快。

研究团队发现氢氧根离子扩散慢由于hypercoordinated氢氧化状态,其中包含四个氢键,是在三个键版本支持。这种结构阻碍了质子转移的频率,从而大大降低多个质子转移的事件,而不是倾向于单质子跳跃放缓相比水合氢离子扩散。

”这是一个很好的研究使用最好的模拟技术已经应用到这个问题到目前为止,“评论才气Michaelides催化接口,使用模拟调查关注水的伦敦大学学院,英国。“它提供了一种定性正确解释实验观察水离子扩散。然而,这并不是故事的结局,还可以进行改进的技术和数据分析的方式。