Vodní klastr - Water cluster

Hypotetický (H 2 O) 100 ikosahedrálních klastrů vody a podkladová struktura.

V chemii , je shluk vody je diskrétní vodík vázaný montáž nebo shluk z molekul z vody . Mnoho takovýchto klastrů bylo předpovězeno teoretickými modely ( in silico ) a některé byly experimentálně detekovány v různých kontextech, jako je led , objemná kapalná voda, v plynné fázi , ve zředěných směsích s nepolárními rozpouštědly a jako hydratační voda v krystalových mřížích . Nejjednodušším příkladem je vodní dimer (H 2 O) 2 .

Klastry vody byly navrženy jako vysvětlení některých anomálních vlastností kapalné vody , jako je její neobvyklá změna hustoty s teplotou. Klastry vody se také podílejí na stabilizaci určitých supramolekulárních struktur. Očekává se, že budou hrát roli také v hydrataci molekul a iontů rozpuštěných ve vodě.

Teoretické předpovědi

Podrobné vodní modely předpovídají výskyt klastrů vody, jako konfigurace molekul vody, jejichž celková energie je lokálním minimem.

Zvláště zajímavé jsou cyklické shluky (H 2 O) n ; bylo předpovězeno, že existují pro n = 3 až 60. Výzkum ukazuje experimentální výsledek velikosti klastru vody s 20 molekulami vody 0,822 nm Výzkum využívá graficky invarianty pro efektivní generování topologií vodíkových vazeb a předpovídání fyzikálních vlastností klastrů vody a ledu . Užitečnost grafových invariantů je potvrzena zvážením dvou klastrů vody, klece (H 2 O) 6 a (H 2 O) 20 dodecahedronu, které jsou spojeny se zhruba stejným uspořádáním atomů kyslíku v pevné a kapalné fázi vody. Při nízkých teplotách je téměř 50% molekul vody obsaženo v klastrech. S rostoucí velikostí klastru se vzdálenost kyslíku od kyslíku snižuje, což je přičítáno takzvaným kooperativním interakcím mnoha těl: v důsledku změny distribuce náboje se molekula H-akceptoru stává lepší H-donorovou molekulou při každé expanzi vodní montáž. Zdá se, že pro hexamer (H 2 O) 6 existuje mnoho izomerních forem : od prstenu, knihy, vaku, klece až po tvar hranolu s téměř identickou energií. Dva klečového existují izomery pro heptamers (H 2 O) 7 , a oktamery (H 2 O) 8 se nacházejí buď cyklické nebo ve tvaru krychle.

Jiné teoretické studie předpovídají shluky se složitějšími trojrozměrnými strukturami. Mezi příklady patří fulleren- like cluster (H 2 O) 28 , pojmenovaný vodní buckyball , a 280-vodní molekula monster icosahedral síť (s každou molekulou vody souřadnic 4 dalších). Ten, který má průměr 3 nm, se skládá z vnořených ikosahedrálních skořápek s 280 a 100 molekulami. Existuje také rozšířená verze s dalším obalem 320 molekul. Přidáním každé skořepiny se zvýší stabilita. Existují teoretické modely klastrů vody s více než 700 molekulami vody, ale nebyly experimentálně pozorovány.

Experimentální pozorování

Experimentální studium jakýchkoli supramolekulárních struktur v hromadné vodě je obtížné kvůli jejich krátké životnosti: vodíkové vazby se neustále lámou a reformují v časových intervalech rychleji než 200 femtosekund.

V plynné fázi a ve zředěných směsích vody a nepolárních rozpouštědel, jako je benzen a kapalné helium, však byly pozorovány shluky vody . Experimentální detekce a charakterizace klastrů byla dosažena následujícími metodami: vzdálená infračervená spektroskopie | vzdálená infračervená (FIR), vibrační rotační tunelová spektroskopie | vibračně-rotační-tunelovací (VRT), Н-NMR a neutron difrakce. Bylo zjištěno, že hexamer má planární geometrii v kapalném héliu, konformaci židle v organických rozpouštědlech a strukturu klece v plynné fázi. Experimenty kombinující IR spektroskopii s hmotnostní spektrometrií odhalují kubické konfigurace pro klastry v rozsahu n = (8-10).

Když je voda součástí krystalové struktury jako v hydrátu , lze použít rentgenovou difrakci . Pomocí této metody byla stanovena konformace vodního heptameru (cyklické zkroucené neplanární). Dále, vícevrstvé vodě shluky se vzorci (H 2 O) 100 v pasti uvnitř dutin několika polyoxokovových klastrů zaznamenala rovněž Mueller a kol. al.

Klastrové modely hromadné kapalné vody

Několik modelů se pokouší vysvětlit objemové vlastnosti vody za předpokladu, že jim dominuje tvorba klastrů v kapalině. Podle teorie kvantové klastrové rovnováhy (QCE) kapalin dominuje v hromadné fázi kapalné vody n = 8 klastrů, následovaných n = 5 a n = 6 klastry. V blízkosti trojného bodu je vyvolána přítomnost klastru n = 24. V dalším modelu je hromadná voda vytvořena ze směsi hexamerových a pentamerových prstenců obsahujících dutiny schopné uzavřít malé rozpuštěné látky. V ještě dalším modelu existuje rovnováha mezi oktametrem krychlové vody a dvěma cyklickými tetramery. Žádný model však dosud nereprodukoval experimentálně pozorované maximum hustoty vody jako funkci teploty.

Viz také

Reference

externí odkazy