물 군집

Water cluster
가설 (HO2)100 이등면수 군집 및 기초 구조.

화학에서 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

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