물 군집
Water cluster화학에서 물 군집은 분리된 수소 결합 조립체 또는 물의 분자 군집이다.[1][2] 그러한 많은 군집은 이론적 모델(실리코)에 의해 예측되었고, 일부는 얼음, 벌크 액체, 가스 위상, 비극성 용제와 혼합된 묽은 혼합물, 수정 격자의 수화물 등 다양한 맥락에서 실험적으로 검출되었다. 가장 간단한 예는 수조광기(HO2)이다.2
물의 온도와 밀도의 비정상적인 변화 등 액체 상태의 물의 일부 비정상적인 특성에 대한 설명으로 물 클러스터가 제안되었다. 물 군집은 또한 특정 초분자 구조물의 안정화에 관여한다.[3] 그들은 또한 물에 용해된 분자와 이온의 수화에도 역할을 할 것으로 기대된다.[4][5]
이론적 예측
상세한 물 모델은 총 에너지가 국소 최소인 물 분자의 구성으로서 물 군집의 발생을 예측한다.[6][7][8]
특히 관심이 있는 것은 주기적 군집(HO2)이다.n 이러한 군집들은 n = 3 - 60에 대해 존재할 것으로 예측되었다.[9][10] 연구 결과 0.822nm의 물 분자 20개로 구성된 물 클러스터 크기의 실험 결과가 나왔다. 효율적인 수소 결합 위상 생성과 물 클러스터 및 얼음의 물리적 특성 예측을 위한 그래프 불변제 활용 연구. 그래프 불변성의 효용은 물의 고체상 및 액체상에서의 산소 원자 배열과 거의 동일한 두 개의 물 군집인 (HO2)6 케이지와 (HO2)20 도데카헤드론을 고려함으로써 확인된다.[12] 저온에서는 물 분자의 거의 50%가 군집에 포함된다.[13] 클러스터 크기가 증가함에 따라 산소 대 산소 거리가 감소하는 것으로 확인되며, 이는 소위 협력적인 다체 상호작용에 기인한다: 전하 분포의 변화로 인해 H-수용자 분자는 물 어셈블리의 팽창에 따라 더 나은 H-기너 분자가 된다. 고리, 책, 가방, 케이지,6 거의 동일한 에너지의 프리즘 모양에 이르기까지 육각형(HO2)에 대해 많은 이항형식이 존재하는 것 같다. 헵타머(HO2)를 위해 케이지와 같은 등사체가 두 개 존재하며,7 옥타머(HO2)8는 주기적 또는 큐브 모양으로 발견된다.
다른 이론적 연구는 보다 복잡한 3차원 구조를 가진 군집을 예측한다.[14] 그 예로는 물 버키볼이라는 이름의 28풀레네 같은 군집(HO2)과 280개의 물 분자 괴물 이코사이드 네트워크(각각 물 분자가 다른 4개로 조정됨)가 있다. 직경 3nm인 후자는 280개 분자와 100개의 분자를 가진 중첩된 이두각 껍질로 이루어져 있다.[15][16] 또한 320개의 분자로 이루어진 또 다른 껍데기를 가진 증강 버전도 있다. 각각의 껍데기가 추가되면서 안정성이 높아진다.[17] 700개 이상의 물 분자로 이루어진 물 군집들의 이론적 모델들이 있지만,[18][19] 그것들은 실험적으로 관찰되지 않았다.
실험 관측치
벌크워터의 초분자 구조물에 대한 실험 연구는 수명이 짧기 때문에 어렵다: 수소 결합은 200 펨토초보다 빠른 시간 계산에서 지속적으로 깨지고 개혁되고 있다.[20]
그럼에도 불구하고, 가스 단계와 벤젠과 액체 헬륨과 같은 비극성 용매와 물의 희석 혼합물에서 물 군집이 관찰되었다.[21][22] 원적외선 스펙트럼 분석(FIR),[23] 진동 회전-터널링 분광 진동-회전-터널링(VRT),[24] --NMR,[25][26] 중성자 회절 등의 방법으로 클러스터의 실험 검출 및 특성화를 달성했다.[27] 헥사머는 액체 헬륨에서 평면 기하학, 유기용제에서는 의자 등응, 가스상에서는 케이지 구조물이 있는 것으로 밝혀졌다. IR 분광법과 질량 분광법을 결합한 실험은 n=(8-10) 범위의 군집에 대한 입방형 구성을 보여준다.
물이 수화물에서와 같이 결정 구조의 일부일 때, X선 회절을 사용할 수 있다. 물 헵타머의 적합성은 이 방법을 사용하여 결정되었다(순환 꼬임 비계획자).[28] 또한 뮬러 외 연구진은 여러 폴리옥소메탈산염 성단의 캐비티 내부에 공식(HO2)100이 갇힌 다층수 성단을 보고하였다.[29][30]
대량 액체 상태의 클러스터 모델
몇몇 모델은 액체 내의 군집 형성에 의해 지배된다고 가정하여 물의 대량 특성을 설명하려고 한다.[31] 액체의 양자 군집 평형(QCE) 이론에 따르면, n=8 군집이 액체 물 대량 단계를 지배하고, n=5 군집과 n=6 군집이 그 뒤를 잇고 있다. 3중점 부근에서는 n=24 군집의 존재가 호출된다.[32] 또 다른 모델에서는 작은 용액을 감싸는 것이 가능한 충치를 포함하는 헥사머와 펜타머 링의 혼합으로 벌크 워터가 만들어진다. 또 다른 모델에서는 입방수 옥타머와 두 개의 순환 테트라머 사이에 평형이 존재한다.[33] 그러나 아직 어떤 모델도 온도의 함수로 실험적으로 관측된 물의 최대 밀도를 재현하지 못했다.
참고 항목
참조
- ^ Xantheas, Sotiris; Dunning Jr., Thorn (1993). "Ab initio studies of cyclic water clusters (H2O)n, n=1–6. I. Optimal structures and vibrational spectra". The Journal of Chemical Physics. 99 (11): 8774–8792. Bibcode:1993JChPh..99.8774X. doi:10.1063/1.465599.
- ^ Ralf Ludwig (2001). "Water: From Clusters to the Bulk". Angew. Chem. Int. Ed. 40 (10): 1808–1827. doi:10.1002/1521-3773(20010518)40:10<1808::AID-ANIE1808>3.0.CO;2-1. PMID 11385651.
- ^ Ghosh, Sujit; Bhardwaj, Parimal (2004). "A Dodecameric Water Cluster Built around a Cyclic Quasiplanar Hexameric Core in an Organic Supramolecular Complex of a Cryptand". Angewandte Chemie. 116 (27): 3661–3664. Bibcode:2004AngCh.116.3661G. doi:10.1002/ange.200454002.
- ^ A. D. Kulkarni; S. R. Gadre; S. Nagase (2008). "Quantum chemical and electrostatic studies of anionic water clusters(H2O)n−". Journal of Molecular Structure: THEOCHEM. 851 (1–3): 213. doi:10.1016/j.theochem.2007.11.019.
- ^ A. D. Kulkarni; K. Babu; L. J. Bartolotti; S. R. Gadre. (2004). "Exploring Hydration Patterns of Aldehydes and Amides: Ab Initio Investigations". J. Phys. Chem. A. 108 (13): 2492. Bibcode:2004JPCA..108.2492K. doi:10.1021/jp0368886.
- ^ 파울러, P. W., 퀸, C. M., 레드몬드, D. B. (1991) 워터클러스터를 위한 장식 풀렌과 모델 구조물, <화학물리학 저널> 95권, 10권, 7678권.
- ^ 케우치, F. N.와 세이칼리 (2001) 물 군집: 액체의 신비를 푸는 것, 한 번에 한 개의 분자, PNAS, 98, 19 pp 19, 페이지 10533–10540.
- ^ Maheshwary, Shruti; Patel, Nitin; Sathyamurthy, Narayanasami; Kulkarni, Anand (2001). "Structure and Stability of Water Clusters (H2O)n, n = 8-20". Journal of Physical Chemistry A. 105: 10525–10537. doi:10.1021/jp013141b.
- ^ A. D. Kulkarni; R. K. Pathak; L. J. Bartolotti. (2005). "Structures, Energetics, and Vibrational Spectra of H2O2···(H2O)n, n = 1−6 Clusters: Ab Initio Quantum Chemical Investigations". J. Phys. Chem. A. 109 (20): 4583–90. Bibcode:2005JPCA..109.4583K. doi:10.1021/jp044545h. PMID 16833795.
- ^ S. Maheshwary; N. Patel; N Sathyamurthy; A. D. Kulkarni; S. R. Gadre (2001). "Structure and Stability of Water Clusters (H2O)n, n = 8-20: An Ab Initio Investigation". J. Phys. Chem. A. 105 (46): 10525. Bibcode:2001JPCA..10510525M. doi:10.1021/jp013141b.
- ^ Ignatov, Ignat; Gluhchev, Georgi; Neshev, Nikolai; Mehandjiev, Dimitar (2021). "Structuring of Water Clusters Depending on the Energy of Hydrogen Bonds in Electrochemically Activated Waters Anolyte and Catholyte". Bulgarian Chemical Communications. 53 (2): 234–239.
- ^ Kuo, Jer-Lai; Coe, James; Singer, Sherwin (2001). "On the use of graph invariants for efficiently generating hydrogen bond topologies and predicting physical properties of water clusters and ice". Journal of Chemical Physics. 114: 2527.
- ^ Gao, Yitian; Fang, Hongwei; Ni, Ke (2021). "A hierarchical clustering method of hydrogen bond networks in liquid water undergoing shear flow". Scientific Reports. 11: 9542.
- ^ G. S. Fanourgakis; E. Aprà; W. A. de Jong; S. S. Xantheas (2005). "High-level ab initio calculations for the four low-lying families of minima of (H2O)20. II. Spectroscopic signatures of the dodecahedron, fused cubes, face-sharinbucky water g pentagonal prisms, and edge-sharing pentagonal prisms hydrogen bonding networks". J. Chem. Phys. 122 (13): 134304. Bibcode:2005JChPh.122m4304F. doi:10.1063/1.1864892. PMID 15847462.
- ^ Tokmachev, A.M., Tchouriff, A.L., Dronskowski, R. (2010) 물 군집 내 수소-본드 네트워크(20HO2): 배기 양자-화학 분석, ChemphysChem, Vol. 11, 22, 페이지 384–388.
- ^ 사이크스, м. (2007) 나노드롭렛 공개 용해-종속 안정성, PNAS, Vol. 104, № 30, 페이지 12336–12340에서 RNA 염기 쌍 시뮬레이션.
- ^ Loboda, Oleksandr; Goncharuk, Vladyslav (2010). "Theoretical study on icosahedral water clusters". Chemical Physics Letters. 484 (4–6): 144–147. Bibcode:2010CPL...484..144L. doi:10.1016/j.cplett.2009.11.025.
- ^ 채플린, M. F. (2013) 액체 물이란 무엇인가, 과학 in Society, Iss. 58, 41-45.
- ^ 제닌, S. V. (2002)물, 모스크바, 전통적인 진단 및 치료 방법을 위한 연방 센터
- ^ Smith, Jared D.; Christopher D. Cappa; Kevin R. Wilson; Ronald C. Cohen; Phillip L. Geissler; Richard J. Saykally (2005). "Unified description of temperature-dependent hydrogen-bond rearrangements in liquid water" (PDF). Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 102 (40): 14171–14174. Bibcode:2005PNAS..10214171S. doi:10.1073/pnas.0506899102. PMC 1242322. PMID 16179387.
- ^ C. J. Gruenloh; J. R. Carney; C. A. Arrington; T. S. Zwier; S. Y. Fredericks; K. D. Jordan (1997). "Infrared Spectrum of a Molecular Ice Cube: The S4 and D2d Water Octamers in Benzene-(Water)8". Science. 276 (5319): 1678. doi:10.1126/science.276.5319.1678.
- ^ M. R. Viant; J. D. Cruzan; D. D. Lucas; M. G. Brown; K. Liu; R. J. Saykally (1997). "Pseudorotation in Water Trimer Isotopomers Using Terahertz Laser Spectroscopy". J. Phys. Chem. A. 101 (48): 9032. Bibcode:1997JPCA..101.9032V. doi:10.1021/jp970783j.
- ^ Liu, Kun; Fellers, Raymond; Viant, Mark; McLaughlin, Ryan; Brown, Mac; Saykally, Richard (1996). "A long path length pulsed slit valve appropriate for high temperature operation: Infrared spectroscopy of jet‐cooled large water clusters and nucleotide bases". Review of Scientific Instruments. 67 (2).
- ^ Liu, Kun; Cruzan, Jeffery; Saykally, Richard (1996). "Water Clusters". Science. 271 (5251): 929–933. Bibcode:1996Sci...271..929L. doi:10.1126/science.271.5251.929. S2CID 220091855.
- ^ Turov, Volodymyr; Krupskaya, Tetiana; Barvinchenko, Valentina; Lipkovska, Natalia; Kartel, Mykola; Suvorova, Liudmyla (2016). "Peculiarities of water cluster formation on the surface of dispersed KCl: The influence of hydrophobic silica and organic media". Colloids and Surfaces A. 499: 97–102. doi:10.1016/j.colsurfa.2016.03.069.
- ^ Oka, Kouki; Shibue, Natsuhiko; Sugimuka, Natsuhiko; Watabe, Yuki; Winther-Jensen, Bjorn; Hiroyuki, Wishide (2019). "Long-lived water clusters in hydrophobic solvents investigated by standard NMR techniques". Scientific Reports. 223 (1): 223. Bibcode:2019NatSR...9..223O. doi:10.1038/s41598-018-36787-1. PMC 6338722. PMID 30659206. S2CID 58026218.
- ^ Yoshida, Koji; Ishuda, Shigeru; Yamaguchi, Toshio (2019). "Hydrogen bonding and clusters in supercritical methanol–water mixture by neutron diffraction with H/D substitution combined with empirical potential structure refinement modelling". Molecular Physics. 117 (22): 3297–3310. Bibcode:2019MolPh.117.3297Y. doi:10.1080/00268976.2019.1633481. S2CID 198343685.
- ^ M. H. Mir; J. J. Vittal (2007). "Phase Transition Accompanied by Transformation of an Elusive Discrete Cyclic Water Heptamer to a Bicyclic (H2O)7 Cluster". Angew. Chem. Int. Ed. 46 (31): 5925–5928. doi:10.1002/anie.200701779. PMID 17577896.
- ^ T. Mitra; P. Miró; A.-R. Tomsa; A. Merca; H. Bögge; J. B. Ávalos; J. M. Poblet; C. Bo; A. Müller (2009). "Gated and Differently Functionalized (New) Porous Capsules Direct Encapsulates' Structures: Higher and Lower Density Water". Chem. Eur. J. 15 (8): 1844–1852. doi:10.1002/chem.200801602. PMID 19130528.
- ^ A. Müller; E. Krickemeyer; H. Bögge; M. Schmidtmann; S. Roy; A. Berkle (2002). "Changeable Pore Sizes Allowing Effective and Specific Recognition by a Molybdenum-Oxide Based "Nanosponge": En Route to Sphere-Surface and Nanoporous-Cluster Chemistry". Angew. Chem. Int. Ed. 41 (19): 3604–3609. doi:10.1002/1521-3773(20021004)41:19<3604::aid-anie3604>3.0.co;2-t.
- ^ L 슈, L 제갓헤산, V 제갓헤산, CQ리(2020) 물의 구조, 유체상 평형리브리아 511, 112514
- ^ Lehmann, S. B. C.; Spickermann, C.; Kirchner, B. (2009). "Quantum Cluster Equilibrium Theory Applied in Hydrogen Bond Number Studies of Water. 1. Assessment of the Quantum Cluster Equilibrium Model for Liquid Water". Journal of Chemical Theory and Computation. 5 (6): 1640–9. doi:10.1021/ct800310a. PMID 26609856.
- ^ Borowski, Piotr; Jaroniec, Justyna; Janowski, Tomasz; Woliński, Krzysztof (2003). "Quantum cluster equilibrium theory treatment of hydrogen-bonded liquids: Water, methanol and ethanol". Molecular Physics. 101 (10): 1413. Bibcode:2003MolPh.101.1413B. doi:10.1080/0026897031000085083. S2CID 96921359.