Співіснування іонних пар та молекулярних асоціатів у наночастинках неорганічних сполук
Анотація
Проаналізовано можливість існування кластерів неорганічних речовин у стані молекулярного асоціата та сукупності іонних пар. Розглянуто основні причини виникнення іонних пар: часткове або повне перенесення електрона або електронної пари з однієї молекули на іншу, перенесення протона (прототропія) або галогенід-іонів (галотропія) між молекулами, перетворення контактних іонних пар в мікрокристалах солей на розділені за рахунок сольватації. Визначено умови структурних переходів між ними. Описано вплив розмірів наночастинок та температури на відносну термодинамічну стабільність цих двох форм кластерів.
Огляд охоплює широке коло об’єктів: кластери, які утворені молекулами води, гідратовані молекули безкисневих та кисневмісних кислот, неорганічних основ (гідроксидів лужних металів та амоніаку) та солей; безводні та гідратовані кластери, що містять одночасно молекули кислот та основ; кластери координаційних сполук та деяких інших речовин. Висвітлено результати квантовохімічних розрахунків методами Хартрі-Фока (HF), теорії функціоналу електронної густини (DFT), теорії зв’язаних кластерів із однократними, подвійними та потрійними збудженнями (CCSD(T)) та теорії збурень Меллера–Плессета другого порядку (MP2) просторової будови та енергетичних характеристик розглянутих моделей. Теоретичні результати порівнюються з наявними експериментальними даними.
Виявлено, що дисоціація O–H зв’язків можлива в кластерах, що утворені принаймні п’ятьма молекулами води, і є складною реакцією, яка контролюється утворенням водневих зв’язків, причому дві молекули води мають діяти як промотори реакції гідролізу, де відбувається синхронне переміщення двох протонів, а іони H3O+ та OH– діють як потрійні акцептори та потрійні донори водневих зв’язків. В кластерах гідратованих молекул неорганічних кислот, як безкисневих, так і кисневмісних, які містять 3 – 5 молекул води, можливі колективні (тобто узгоджені) протонні переходи та іонна дисоціація. Іонна дисоціація гідроксидів та галогенідів лужних металів потребує від 3 до 7 молекул води в кластері.
Показано, що в кластерах, що складаються з однакової кількості молекул амоніаку та соляної кислоти (HCl)n•(NH3)n, перехід від водневого зв’язку до іонної пари відбувається уже при n = 2. Іонні координаційні сполуки можуть утворювати олігомерні асоціати, в яких відстань між катіоном та аніоном залежить від координаційного числа катіона і є проміжною між величинами, характерними для контактних та розділених іонних пар.
Посилання
Petrov Yu.N. Clusters and small particles. (Moscow: Nauka, 1986). [in Russian].
Lakhno V.D. Clusters in Physics, Chemistry, Biology. (Izhevsk: SPC "Regular and chaotic dynamics", 2001). [in Russian].Hobza P., Zahradnik R. Intermolecular Complexes. (Elsevier: Amsterdam, 1988).
Suresh C.H., Gadre S.R., Gejji S.P. Theoretical studies on the structure of M+BF4- ion pairs M = Li+, NH4+: The role of electrostatics and electron correlation. Theor. Chem. Accounts. 1998. 99(3): 151. https://doi.org/10.1007/s002140050317
Baranov L.Ya., Charkin O.P. Theoretical study on the non-rigid rotation of tetrahedral cation and anion in molecule NH4BH4. Zhurn. Struct. Chem. 1989. 30(5): 27.[in Russian].
Alavi A., Lyndenbell P.M., Willis P.A., Swainson I.P., Brown R.J.C. An ab initio and neutron diffraction study of ammonium chloride. Can. J. Chem. 1998. 76(11): 1581.
Van Reeuwijk S.J., Van Beek K.G., Feil D. Hydrogen bonds in NH4F and NH4HF2 crystals. Comparison of electron density distribution obtained by X-ray diffraction and by quantum chemistry. J. Phys. Chem. A. 2000. 104(46): 10901.
Gloriozov I.P., Vasilkov A.Yu., Ustyniuk Yu.A. Accounting anion-cation interactions when studying the structure of chromium dibenzene by density functional method. Zhur. Fiz. Khim. 2006. 80(2): 292. [in Russian].
Wang L.J., Mezey P.G., Zgierski M.Z. Stability and structures of nitrogen clusters N10. Chem. Phys. Lett. 2004. 391(4-6): 338.
Lill M.A., Hutter M.C., Helms V. Accounting for environmental effects in ab initio calculations of proton transfer barriers. J. Phys. Chem. A. 2000. 104(35): 8283.
Sheiner S. Theoretical studies of proton transfers. Account Chem. Res. 1985. 18(6): 174.
Preiss H. Strukturverfeinerung und Untersuchung der thermischen Schwingungen am festen Phosphor(V)-chlorid. Zs. anorg. allg. Chem. 1971. 380(1): 51.
Grebenyuk A.G. A quantum chemical study on the formation of ionic structures in molecular associates of phosphorus pentachloride. Transactions of NaUKMA. Chemical sciences and technologies. 2001. 19: 53. [in Ukrainian].
Claude Dedonder-Lordeux, Gilles Grégoire, Christophe Jouvef, Séverine Martrenchard, and Daniel Solgadi. Charge separation in molecular clusters dissolution of a salt in a salt-(Solvent)n cluster. Chem. Rev. - 2000. 100(11): 4023.
Lee Ch., Sosa C., Novoa J.J. Evidence of the existence of dissociated water molecules in water clusters. J. Chem. Phys. 1995. 103(10): 4360. https://doi.org/10.1021/cr990059s
Jensen J.O., Samuels A.C., Krishnan P.N., Burke L.A. Ion pairs formation in water clusters. A theoretical study. Chem. Phys. Lett. 1997. 276(1-2): 145. https://doi.org/10.1016/S0009-2614(97)88048-7
Cárdenas R., Lagúnez-Otero, Flores-Rivero A. Ab initio study of the reaction mechanism of water dissiciation into the ionic species OH- and H3O+. Int. J. Quant. Chem. 1998. 68(4): 253. https://doi.org/10.1002/(SICI)1097-461X(1998)68:4<253::AID-QUA3>3.0.CO;2-U
Bernal-Uruchurtu M.I., Ortega-Blake I. On the molecular basis of water hydrolysis. A detailed ab initio study. J. Phys. Chem. A. 1999. 103(7): 884. https://doi.org/10.1021/jp982573s
Anick D. J. Ab initio study of an H24O12 zwitterion. J. Phys. Chem. A. 2003. 107(9): 1348. https://doi.org/10.1021/jp027098j
Smith A., Vincent M.A., Hillier I.H. Mechanism of acid dissociation in water clusters: Electronic structure studies of (H2O)nHX (n =4, 7; X = OH, F, HS, HSO3, OOSO2H, OOH*SO2). J. Phys. Chem. A. 1999. 103(8): 1132. https://doi.org/10.1021/jp984216n
Suyong R. Enhanced stability of non-proton-transferred clusters of hydrated hydrogen fluoride HF(H2O)n (n = 1-7): A molecular orbital study. J. Phys. Chem. A. 2001. 105(42): 9725. https://doi.org/10.1021/jp011003g
Odde S., Mhin B.J., Lee K. H., Lee H.M., Tarakeshwar P., Kim. K.S. Hydration and dissociation of hydrogen fluoric acid (HF). J. Phys. Chem. A. 2006. 110(25): 7918. https://doi.org/10.1021/jp060149i
Gorb L.G., Ilchenko N.N., Goncharuk V.V. Quantum chemical study on the geometrical structure of the complexes HCl*nH2O (n = 1-3). Zhurn. Fiz. Khim. 1991. 65(9): 2419. [in Russian].
Packer M.J., Clary D.C. Interaction of HCl with water clusters: (H2O)nHCl, n =1-3. J. Phys. Chem. 1995. 99(39): 14323. https://doi.org/10.1021/j100039a020
Baselo D.E., Binning R.C. (Jr.), Ishikawa Y. Ab initio Monte Carlo simulated annealing study of HCl(H2O)n (n = 3, 4) clusters. J. Phys. Chem. A. 1999. 103(24): 4631. https://doi.org/10.1021/jp9843003
Re S., Osamura Y., Suzuki Y., Schaefer H. F. (III). Structures and stability of hydrogen chloride, HCl(H2O)n, n = 1-5. J. Chem. Phys. 1998. 109(3): 973. https://doi.org/10.1063/1.476640
Masia M., Forbert H., Marx D. Connecting structure to infrared spectra of molecular and autodissociated HCl-water aggregates. J. Phys. Chem. A. 2007. 111(49): 12181. https://doi.org/10.1021/jp0740494
Maeda S., Ohno K. Microsolvation of hydrogen sulfide exploration of H2S*(H2O)n and SH-*H3O+*(H2O)n (n=5-7) cluster structures on ab initio potential energy surfaces by the scaled hypersphere search method. J. Phys. Chem. A. 2008. 112(13): 2962. https://doi.org/10.1021/jp710494n
Masanori Tachikawa. A density functional study on hydrated clusters of orthoboric acid, B(OH)3(H2O)n (n = 1-5). J. Mol. Struct. (Theochem). 2004. 710(1-3): 139. https://doi.org/10.1016/j.theochem.2004.09.008
Scott J.R., Wright J.B. Computational investigation of the solvation of nitric acid: formation of the NO3- and H3O+ ion pair. J. Phys. Chem. A. 2004. 108(47): 10578. https://doi.org/10.1021/jp047633a
Bandy A.R., Ianni S.C. Study of the hydrates of H2SO4 using density functional theory. J. Phys. Chem. A. 1998. 102(32): 6533. https://doi.org/10.1021/jp980270s
Arstila H., Laasonen K., Laaksonen A. Ab initio study of gas-phase sulphuric acid containing 1 to 3 water molecules. J. Chem.Phys. 1998. 108(3): 1031. https://doi.org/10.1063/1.475496
Re S., Osamura Y., Morokuma K. Coexistence of neutral and ion-pair clusters of hydrated sulphuric acid H2SO4 (H2O)n (n = 1-5) - A molecular orbital study. J. Phys. Chem. A. 1999. 103(18): 3535. https://doi.org/10.1021/jp984759x
Ding Ch.-G., Laasonen K., and Laaksonen A. Two sulphuric acids in small water clusters. J. Phys. Chem. A. 2003. 107(41). 8648. https://doi.org/10.1021/jp022575j
Natsheh A.A., Nadykto A.B., Mikkelsen K.V., Yu F., and Ruuskanen J. Sulfuric acid and sulfuric acid hydrates in the gas phase: A DFT investigation. J. Phys. Chem. A. 2004. 108(41): 8914. https://doi.org/10.1021/jp048858o
Arrouvel C., Viosset V., Minot C. Theoretical study of hydrated sulfuric acid: cluster and periodic modeling. J. Mol. Struct. Theоchem. 2005. 718(1-3): 71. https://doi.org/10.1016/j.theochem.2004.12.032
Shujin Li, Weber Kevin H., Tao Fu-Ming, Gu Renao. Theoretical investigation of ionic dissociation of fluorosulfonic acid in microsolvated clusters. Chem. Phys. Lett. 2006. 323(2-3): 397. https://doi.org/10.1016/j.chemphys.2005.10.012
Weber K.H., Tao F.-M. Ionic dissociation of perchloric acid in microsolvated clusters. J. Phys. Chem. A. 2001. 105(7): 1208. https://doi.org/10.1021/jp002932v
Veerman A., Myong L.H., Kim K.S. Dissolution nature of lithium hydroxide by water molecules. J. Chem. Phys. 2005. 123(8): 084321. https://doi.org/10.1063/1.2010470
Kumar A., Park M., Huh J.Y., Lee H.M., Kim K.S. Hydration phenomena of sodium and potassium hydrolysis by water molecules. J. Phys. Chem. A. 2006. 110(45): 12484. https://doi.org/10.1021/jp063726b
Odde S., Lee H.M., Kołaski M., Nhin B.J., Kim K.S. Dissolution of a base (RbOH) by water clusters. J. Chem. Phys. 2004. 121(10): 4665. https://doi.org/10.1063/1.1779573
Lee Ch., Fitzgerald G., Planas M., Novoa J.J. Ionization in water: structure and stability of the NH4+…OH- ionic forms in ammonia-water clusters. J. Phys. Chem. 1996. 100(18): 7398. https://doi.org/10.1021/jp953360v
Bacelo D.E. Theoretical study of microscopic solvation of ammonia in water-ammonia clusters: NH3(H2O)n, n=3, 4. J. Phys. Chem. A. 2002. 106(46): 11190. https://doi.org/10.1021/jp025954l
Karthikeyan S., Singh N.J., Kim K.S. Undissociated versus dissociated structures for water clusters and ammonia-water clusters: (H2O)n and NH3(H2O)n-1 (n=5, 8, 9, 21). Theoretical study. J. Phys. Chem. A. 2008. 112(29): 6527.
Woon D.E., Dunning T.H. The pronounced effect of microsolvation on diatomic alkali halides: Ab initio modeling of MX(H2O)n (M=Li, Na; X=F, Cl; n=1-3). J. Amer. Chem. Soc. 1995. 117(3): 1090. https://doi.org/10.1021/jp801678r
Pye C.E. An ab initio investigation of lithium ion hydration. II. Tetracoordination versus hexacoordination and halide complexes. Int. J. Quant. Chem. 2000. 76(1): 62. https://doi.org/10.1002/(SICI)1097-461X(2000)76:1<62::AID-QUA6>3.0.CO;2-F
Oletta A.C., Lee H.M., Kim K.S. Ab initio study of hydrated sodium halides NaX (H2O)1-6 (X=F, Cl, Br, and I). J. Chem. Phys. 2006. 124(2): 024321. https://doi.org/10.1063/1.2147283
Jungwirth P. How many waters are necessary to dissolve a rock salt molecule ? J. Phys. Chem. A. 2000. 104(1): 145. https://doi.org/10.1021/jp993010z
Yamabe S., Kouno H., Matsumura K. A mechanism of the ion separation of the NaCl microcrystal via the association of water clusters. J. Phys. Chem. B. 2000. 104(44): 10242. https://doi.org/10.1021/jp993222w
Mizogushi A., Ohshima Y., Endo Y. Microscopic hydration of the sodium chloride ion pair. J. Amer. Chem. Soc. 2003. 125(7): 1716. https://doi.org/10.1021/ja028522x
Liu W., Wood R.H., Doren D.J. Hydration free energy and potential of mean force for a model of the sodium chloride ion pair in supercritical water with ab initio solute-solvent interactions. J. Chem. Phys. 2003. 118(6): 2837. https://doi.org/10.1063/1.1536164
Pelsherbe G.H., Ladanyi B.M., Hynes J.T. Free energetics of NaI contact and solvent-separated ion pairs in water clusters. J. Phys. Chem. A. 2000. 104(19): 4533. https://doi.org/10.1021/jp993641t
Oletta A.C., Lee H.M., Kim K.S. Ab initio study of hydrated potassium halides KX (H2O)1-6 (X=F, Cl, Br, and I). J. Chem. Phys. 2007. 126(4): 144311. https://doi.org/10.1063/1.2715565
Jiten S.S.N., Yi H.-B., Min S.K., Park M., Kim K.S. Dissolution nature of cesium fluoride by water molecules. J. Phys. Chem. B. 2006. 110(8): 3808. https://doi.org/10.1021/jp054859k
Godinko S.S.M.C., Cabral do Couto P., Costa Cabral B.J. Polarization effects and charge separation in AgCl-water clusters. J. Chem. Phys. 2005. 112(4): 044316. https://doi.org/10.1063/1.1826032
Heidrich D. Ion pair formation modelled by NH3(HF)n (n = 3-5). J. Mol. Struct. Theochem. 1998. 429: 87. https://doi.org/10.1016/S0166-1280(97)00341-2
Chaban G.M., Gerber R.B., Janda K.C. Transition from hydrogen bonding to ionization in (HCl)n(NH3)n and (HCl)n(H2O)n clusters: consequences for anharmonic vibrational spectroscopy. J. Phys. Chem. A. 2001. 105(36): 8323. https://doi.org/10.1021/jp011567k
Bacelo D.E., Fioressi S.E. Theoretical study of microscopic solvation of HCl in ammonia: HCl(NH3)n, n =1-4. J. Chem. Phys. 2003. 119(22): 11695. https://doi.org/10.1063/1.1624592
Plummer P.L.M. Theoretical study of hydrogen bond complexes of ammonia and hydrogen cyanide. J. Phys. Chem. B. 2004. 108(51): 19582. https://doi.org/10.1021/jp048018+
Zhu R. S., Wang J. H., and Lin M. C. Sublimation of Ammonium Salts: A Mechanism Revealed by a First-Principles Study of the NH4Cl System. J. Phys. Chem. C. 2007. 111(37): 13831. https://doi.org/10.1021/jp073448w
Asada T., Takitani S., Koseki S. Theoretical calculation of structures and proton transfer in hydrated ammonia-hydrogen chloride clusters. J. Phys. Chem. A. 2005. 109(9): 1821. https://doi.org/10.1021/jp045933m
Tao F.-M. Gas phase proton transfer reaction of nitric acid-ammonia and the role of water. J. Chem. Phys. 1998. 108(1): 193. https://doi.org/10.1063/1.475372
Dziekonski P., Sokalski W. A., Leszczynski J. Physical nature of environmental effects on intermolecular proton transfer in (O2NOH…NH3)(H2O)n and (ClH…NH3)(H2O)n (n=1-3) complexes. Chem. Phys. 2001. 272(1): 37. https://doi.org/10.1016/S0301-0104(01)00456-6
Anderson K.E., Siepmann I.J., McMurry P.H., Vaude V.J. Importance of the number of acid molecules and the strength of the base for double ion formation in (H2SO4)m*base*(H2O)6 clusters. J. Amer. Chem. Soc. 2008. 130(43): 14144. https://doi.org/10.1021/ja8019774
Li Shujin, Tao Fu-Ming, Gu Renao. Theoretical study of proton transfer reactions of halosulfonic acids with ammonia in hydrated clusters. Chem. Phys. Lett. 2006. 417(4-6): 434. https://doi.org/10.1016/j.cplett.2005.10.041
Torpo Leena, Kurtén Theo, Vehkamaki Hanna, Laasonen Krai, Suudberg Markku R., Kulmala Markku. Significance of ammonia in growth of atmospheric nanoclusters. J. Phys. Chem. A. 2007. 111(42): 10671. https://doi.org/10.1021/jp0741307
Tsvetkov A.V., Bobrov M.F., Tsirelson V.G. Interatomic interaction in complex xenone fluorides XeF5+AF6- (A = As, Sb, Bi). Zhurn. Fiz. Khim. 2002. 76(8): 1459. [in Russian].
Tsvetkov A.V., Bobrov M.F., Tsirelson V.G. Electronic structure and interatomic interactions in compounds of xenone fluorides XeF5+MF6- (М = V, Nb, Ta). Zhurn. Fiz. Khim. 2003. 77(1): 59. [in Russian].
Bobrov M.F., Tsirelson V.G. Chemical bond in complex compounds XeF5+XF6- (X = P, As, Sb, Bi). Koordinatsionnaya Khimiya. 2005. 31(10): 746. [in Russian]. https://doi.org/10.1007/s11173-005-0158-3
Popov S.E., Nikiforov A.E. Bushkova O.V., Zhukovsky V.M. Quantum chemical study of ion association in electrolyte systems containing LiAsF6. J. Phys. Chem. A. 2004. 108(46): 10280. https://doi.org/10.1021/jp049646u
Popov S.E., Nikiforov A.E. Bushkova O.V., Zhukovsky V.M. Quantum chemical study of ion association of litium salts LiXF6 (X = As, P). Elektrokhimiya. 2005. 41(5): 546. [in Russian].
Tsvetkov A.V., Bobrov M.F., Tsirelson V.G. The features of the electron density in XeF5XF6 (X = P, As, Sb, Bi, V, Nb, Ta) molecules. J. Mol. Struct. Theochem. 2003. 624(1-3): 145. https://doi.org/10.1016/S0166-1280(02)00777-7
Netzloff H.M., Gordon M.S., Christe K., Wilson W.W., Vij A., Vij V., Boatz J.A. On the existance of FN5, a theoretical and experimental study. J. Phys. Chem. A. 2003. 107(34): 6638. https://doi.org/10.1021/jp030157o
Eric Clot. Ion-Pairing in Organometallic Chemistry: Structure and Influence on ProtonTransfer from a Computational Perspective. Eur. J. Inorg. Chem. 2009. 16: 2319. https://doi.org/10.1002/ejic.200900151
Alavi S., Thompson D.L. Effects of alkyl-group substitution on the proton transfer barriers in ammonium and hydroxylammonium nitrate salts. J. Phys. Chem. A. 2004. 108(41): 8801. https://doi.org/10.1021/jp040189r
Tao-Nhân V. Nguyen, Sean R. Hughes, and Gilles H. Peslherbe* Microsolvation of the Sodium and Iodide Ions and Their Ion Pair in Acetonitrile Clusters: A Theoretical Study. J. Phys. Chem. B. 2008. 112(2): 621. https://doi.org/10.1021/jp076567k
Vinh Son Nguyen, Myrna H. Matus, Daniel J. Grant, Minh Tho Nguyen, and David A. Dixon. Computational Study of the Release of H2 from Ammonia Borane Dimer (BH3NH3)2 and Its Ion Pair Isomers. J. Phys. Chem. A. 2007. 111(36): 8844. https://doi.org/10.1021/jp0732007
Evangelisti S., Leininger T. Ionic nitrogen clusters. J. Mol. Struct. Theochem. 2003. 621(1-2): 43. https://doi.org/10.1016/S0166-1280(02)00532-8
Oláh J., Van Alsenoy C., Veszpremi T. NaSCN: Striking differences between its gas-phase and crystal charge structure: A theoretical study. J. Phys. Chem. A. 2004. 108(40): 8400. https://doi.org/10.1021/jp0478662
