danДоклады Национальной академии наук БеларусиDoklady of the National Academy of Sciences of Belarus1561-83232524-2431The Republican Unitary Enterprise Publishing House "Belaruskaya Navuka"10.29235/1561-8323-2021-65-6-692-701dan-1021Research ArticleХИМИЯCHEMISTRYВизуализация гидратации ионов магния и рубидия в сульфокатионите с помощью квантово-химического расчетаVisualization of magnesium and rubidium ion hydration in sulfocationite using quantum chemical calculationСолдатовВ. С.SoldatovV. S.

Солдатов Владимир Сергеевич – академик, д-р хим. наук, профессор, гл. науч. сотрудник

ул. Сурганова, 13, 220072, Минск, Республика Беларусь

Soldatov Vladimir S. - Academician, D. Sc. (Chemistry), Professor, Chief researcher

13, Surganov Str., 220072, Minsk, Republic of Belarus

soldatov@ifoch.bas-net.byБезъязычнаяТ. В.BezyazychnayaT. V.

Безъязычная Татьяна Владимировна – канд. физ.-мат. наук, ст. науч. сотрудник

ул. Сурганова, 13, 220072, Минск, Республика Беларусь

Bezyazychnaya Tatiana V. - Ph. D. (Physical and Mathematics), Senior researcher

13, Surganov Str., 220072, Minsk, Republic of Belarus

kvant@ifoch.bas-net.byКосандровичЕ. Г.KosandrovichE. G.

Косандрович Евгений Генрихович – д-р хим. наук, доцент, заведующий лабораторией

ул. Сурганова, 13, 220072, Минск, Республика Беларусь

Kosandrovich Evgenii G. – D. Sc. ( Chemistry), Associate professor, Head of the Laboratory

13, Surganov Str., 220072, Minsk, Republic of Belarus

kosandrovich@ifoch.bas-net.byИнститут физико-органической химии Национальной академии наук БеларусиInstitute of Physical Organic Chemistry of the National Academy of Sciences of Belarus202126122021656692701Copyright © Солдатов В.С., Безъязычная Т.В., Косандрович Е.Г., 20212021Солдатов В.С., Безъязычная Т.В., Косандрович Е.Г.Soldatov V.S., Bezyazychnaya T.V., Kosandrovich E.G.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://doklady.belnauka.by/jour/article/view/1021

На основании данных ab initio расчета структуры кластеров (RSO3)2Mg(H2O)18 и (RSO3Rb)2(H2O)16, моделирующих структуру набухших сульфостирольных ионитов в соответствующих ионных формах и кластерах воды сравнимого размера, рассчитаны числа молекул воды, непосредственно связанных с катионами и их координационные числа, включающие атомы кислорода сульфогрупп, связанных с катионом. Показано, что первый молекулярный слой вокруг иона магния формируется из молекул воды, имеющих наибольшую энергию связи с кластером, а вокруг иона рубидия – из молекул ближайшего окружения с наименьшими энергиями связи. Это объясняется тем, что перенос молекул воды из ее объема в гидрат магния энергетически выгоден, а в гидрат рубидия – не выгоден. Поэтому ион магния строит свой гидрат преимущественно из молекул воды с наибольшей энергией связи, чтобы получить наибольший энергетический выигрыш, а ион рубидия – из молекул с наименьшей энергией, что обеспечивает наименьший энергетический проигрыш.

Based on the data of ab initio calculation of the structure of (RSO3)2Mg (H2O)18 and (RSO3Rb)2(H2O)16 clusters, which simulate the structure of swollen sulfostyrene ion exchangers in the corresponding ionic forms and a water cluster of comparable size, the numbers of water molecules directly bound to cations and their coordination numbers, including the oxygen atoms of the sulfonic groups linked to the cation, were calculated. It is shown that the first molecular layer around the magnesium ion is formed from water molecules with the highest binding energy with the cluster, and around the rubidium ion – from the molecules of the nearest environment with the lowest binding energies. This is explained by the fact that the transfer of water molecules from its volume to magnesium hydrate is energetically favorable, but not to rubidium hydrate. Therefore, the magnesium ion builds its hydrate mainly from water molecules with the highest binding energy in order to obtain the greatest energy gain, and the rubidium ion – from molecules with the lowest energy, which provides the smallest energy loss.

сульфостирольные ионитыгидратацияионы магния и рубидияквантово-химические расчеты структурыкоординационные числаsulfostyrene ion exchangershydrationmagnesium and rubidium ionsquantum chemical calculationsReferencesКраткая химическая энциклопедия. – М.: Советская энциклопедия, 1961. – Т. 1А. – 631 с.Short chemical encyclopedia. Vol. 1A. Moscow, Sovetskaya entsiklopediya Publ., 1961. 631 p. (in Russian).Самойлов, O. Я. Структура водных растворов электролитов и гидратация ионов / О. Я. Самойлов. – М.: Изд-во Акад. Наук СССР, 1957. – 182 с.Samoilov O. Ya. Structure of electrolyte water solution and hydration of ions. Moscow, USSR Academy of Sciences Publishing House, 1957. 182 p. (in Russian).Soldatov, V. S. Hydration of ion exchangers: thermodynamics and quantum chemistry calculations. IV. The state of ions and water molecules in alkali forms of sulfostyrene resins / V. S. Soldatov, E. G. Kosandrovich, T. V. Bezyazychnaya // React. and Funct. Polym. – 2018. – Vol. 131. – P. 219–229. https://doi.org/10.1016/j.reactfunctpolym.2018.07.010Soldatov V. S., Kosandrovich E. G., Bezyazychnaya T. V. Hydration of ion exchangers: thermodynamics and quantum chemistry calculations. IV. The state of ions and water molecules in alkali forms of sulfostyrene resins. Reactive and Functional Polymers, 2018, vol. 131, pp. 219–229. https://doi.org/10.1016/j.reactfunctpolym.2018.07.010Менделеев, Д. И. Основы химии / Д. И. Менделеев. – СПб.: Типо-литография М. П. Фроловой, 1906. – 8-е изд. – 560 с.Mendeleev D. I. Fundamentals of chemistry. 8 ed. Saint Petersburg, Tipo-litografiya M. P. Frolovoi, 1906. 560 p. (in Russian).Studies on ion-exchange resins. V. Water vapor sorption / H. P. Gregor [et al.] // J. Colloid. Sci. – 1952. – Vol. 7, N 5. – P. 511–534. https://doi.org/10.1016/0095-8522(52)90034-2Gregor H. P., Sundheim B. R., Held K. M., Waxman M. H. Studies on ion-exchange resins. V. Water vapor sorption. Journal of Colloid Science, 1952, vol. 7, no. 5, pp. 511–534. https://doi.org/10.1016/0095-8522(52)90034-2Киргинцев, А. Н. Изотермы сорбции паров воды ионитом КУ-2 в различных ионных формах / А. Н. Киргинцев, А. В. Лукьянов, А. И. Вулих // Иониты и ионный обмен: сборник статей / отв. ред. А. В. Киселев. – Москва: Наука, 1966. –С. 34–39.Kirgintsev A. N., Luk’yanov A. V., Vulikh A. I. Isoterms of water vapor sorption by ion exchanger KU-2 in different ionic forms. Ionity i ionnyi obmen: sbornik statei [Ion exchangers and ion exchange. Collection of articles]. Moscow, Nauka Publ., 1966, pp. 34–39 (in Russian).Солдатов, В. С. Состояние ионов лития в сульфостирольном катионите по данным ab initio квантово-химических расчетов / В. С. Солдатов, Е. Г. Косандрович, Т. В. Безъязычная // Докл. Нац. акад. наук Беларуси. – 2020. – Т. 64, № 4. – С. 421–425. https://doi.org/10.29235/1561-8323-2020-64-4-421-425Soldatov V. S., Kasandrovich E. G., Bezyazychnaya T. V. State of the lithium ions in the sulfostyrene cation exchanger according to ab initio quantum chemical calculations. Doklady Natsional’noi akademii nauk Belarusi = Doklady of the National Academy of Sciences of Belarus, 2020, vol. 64, no. 4, pp. 421–425 (in Russian). https://doi.org/10.29235/1561-8323-2020-64-4-421-425Rowley, C. N. The solvation structure of Na+ and K+ in liquid water determined from high-level ab initio molecular dynamic simulations / C. N. Rowley, B. Roux // J. Chem. Theory Comput. – 2012. – Vol. 8, N 10. – P. 3526–3535. https://doi.org/10.1021/ct300091wRowley C. N., Roux B. The solvation structure of Na+ and K+ in liquid water determined from high-level ab initio molecular dynamic simulations. Journal of Chemical Theory and Computation, 2012, vol. 8, no. 10, pp. 3526–3535. https://doi.org/10.1021/ct300091wBankura, A. Hydration structure of salt solutions from ab initio molecular dynamics / A. Bankura, V. Carnevale, M. L. Klein // J. Chem. Phys. – 2013. – Vol. 138, N 1. – P. 014501. https://doi.org/10.1063/1.4772761Bankura A., Carnevale V., Klein M. L. Hydration structure of salt solutions from ab initio molecular dynamics. Journal of Chemical Physics, 2013, vol. 138, no. 1, pp. 014501. https://doi.org/10.1063/1.4772761Sripa, P. Characteristics of K+ and Rb+ as “structure breaking” ions in dilute aqueous solutions: Insights from ONIOM-XS MD simulations / P. Sripa, A. Tongraar, A. Kerdcharoen // J. Chem. Phys. – 2016. – Vol. 479. – P. 72–80. https://doi.org/10.1016/j.chemphys.2016.09.028Sripa P., Tongraar A., Kerdcharoen A. Characteristics of K+ and Rb+ as “structure breaking” ions in dilute aqueous solutions: Insights from ONIOM-XS MD Simulations. Journal of Chemical Physics, 2016, vol. 479, pp. 72–80. https://doi.org/10.1016/j.chemphys.2016.09.028Гордон, Дж. Е. Органическая химия растворов электролитов / Дж. Е. Гордон. – М.: Мир, 1979. – 712 с.Gordon J. E. The organic chemistry of electrolyte solutions. New York, 1975. 554 p.Marcus, Y. Thermodynamics of solvation ions. Part 5. Gibbs free energy of hydration at 298.15 K / Y. Marcus // J. Chem. Soc. Faraday Trans. – 1991. – Vol. 87, N 18. – P. 2995–2999. https://doi.org/10.1039/ft9918702995Marcus Y. Thermodynamics of solvation ions. Part 5. Gibbs free energy of hydration at 298.15 K. Journal of the Chemical Society Faraday Transactions, 1991, vol. 87, no. 18, pp. 2995–2999. https://doi.org/10.1039/ft9918702995Ion effect on the dynamics of water hydrogen bonding network: A theoretical and computational spectroscopy point of view / Q. Zhang [et al.] // WIREs Comput. Mol. Sci. – 2018. – Vol. 8, N 6. – P. 1–23. https://doi.org/10.1002/wcms.1373Zhang Q., Pan Zh., Zhang Lu, Zhang R., Chen Zh., Jin T., Wu T., Chen X., Zhuang W. Ion effect on the dynamics of water hydrogen bonding network: A theoretical and computational spectroscopy point of view. Wiley Interdisciplinary Reviews: Computational Molecular Science, 2018, vol. 8, no. 6, pp. 1–23. https://doi.org/10.1002/wcms.1373Nature of the aqueous hydroxide ion probed by X-ray absorption spectroscopy / C. D. Cappa [et al.] // J. Phys. Chem. A. – 2007. – Vol. 111, N 22. – P. 4776–4785. https://doi.org/10.1021/jp070551cCappa C. D., Smith J. D., Messer B. M., Cohen R. C., Saykally R. J. Nature of the aqueous hydroxide ion probed by X-ray absorption spectroscopy. Journal of Physical Chemistry A, 2007, vol. 111, no. 22, pp. 4776–4785. https://doi.org/10.1021/jp070551cZavitsas, A. A. Some opinions of an innocent bystander regarding the Hofmeister series / A. A. Zavitsas // Curr. Opin. Coll. Interface Sci. – 2016. – Vol. 23. – P. 72–81. https://doi.org/10.1016/j.cocis.2016.06.012Zavitsas A. A. Some opinions of an innocent bystander regarding the Hofmeister series. Current Opinion in Colloid and Interface Science, 2016, vol. 23, pp. 72–81. https://doi.org/10.1016/j.cocis.2016.06.012

The authors declare that there are no conflicts of interest present.