danДоклады Национальной академии наук БеларусиDoklady of the National Academy of Sciences of Belarus1561-83232524-2431The Republican Unitary Enterprise Publishing House "Belaruskaya Navuka"10.29235/1561-8323-2020-64-4-421-425dan-898Research ArticleХИМИЯCHEMISTRYСостояние ионов лития в сульфостирольном катионите по данным ab initio квантово-химических расчетовState of the lithium ions in the sulfostyrene cation exchanger according to ab initio quantum chemical calculationsСолдатовВ. С.SoldatovV. S.

Солдатов Владимир Сергеевич - академик, доктор химических наук, профессор, главный научный сотрудник, ИФОХ НАН Беларуси.

ул. Сурганова, 13, 220072, Минск.

Soldatov Vladimir S. - Academician, D. Sc. (Chemistry), Professor, Chief researcher. Institute Physical Organic Chemistry of the National Academy of Sciences of Belarus.

13, Surganov Str., 220072, Minsk.

soldatov@ifoch.bas-net.byКосандровичЕ. Г.KasandrovichE. G.

Косандрович Евгений Генрихович - кандидат химических наук, доцент, заведующий лабораторией, ИФОХ НАН Беларуси.

ул. Сурганова, 13, 220072, Минск.

Kasandrovich Evgenii G. -Ph.D. (Chemistry), Associate Professor, Head of the Laboratory. Institute Physical Organic Chemistry of the National Academy of Sciences of Belarus.

13, Surganov Str., 220072, Minsk.

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

Безъязычная Татьяна Владимировна - кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник, ИФОХ НАН Беларуси.

ул. Сурганова, 13, 220072, Минск.

Bezyazychnaya Tatiana V. - Ph. D. (Physics and Mathematics), Senior researcher. Institute Physical Organic Chemistry of the National Academy of Sciences of Belarus.

13, Surganov Str., 220072, Minsk.

kvant@ifoch.bas-net.byИнститут физико-органической химии Национальной академии наук БеларусиInstitute of Physical Organic Chemistry of the National Academy of Sciences of Belarus202030082020644421425Copyright © Солдатов В.С., Косандрович Е.Г., Безъязычная Т.В., 20202020Солдатов В.С., Косандрович Е.Г., Безъязычная Т.В.Soldatov V.S., Kasandrovich E.G., Bezyazychnaya T.V.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/898

Рассчитаны структурные параметры молекулярной модели набухшего сульфостирольного ионита в литиевой форме. Расчеты выполнены неэмпирическим методом (HF/basis с использованием базиса Mini Huzinaga) и программного пакета Firefly для кластера (RSO-3Li+)2-(H2O)20. Найдены расстояния между ионами Li+ и атомами кислорода в кластере, принадлежащие молекулам воды, и сульфогруппы и отсортированы по возрастанию. Полученные данные позволили установить, что в первом молекулярном слое вокруг иона Li+ содержится строго 4 атома кислорода молекул воды, а сам ион не образует прямой связи с сульфогруппой. Между первым и вторым молекулярным слоем вокруг катиона имеет место резкий скачок расстояний Li+-O.

The structural parameters of the molecular model of a swollen sulfostyrene ion exchanger in lithium form were calculated. The calculations were performed using the non-empirical method (HF/basis using the Mini Huzinaga basis) and the Firefly software for the (RSO3Li)2- (H2O)20 cluster. The distances between the Li+ ions and the oxygen atoms in the cluster, which belong to the water molecules and sulfonic groups, were found and sorted in ascending order. The obtained data allowed one to establish that in the first molecular layer, strictly four oxygen atoms of water molecules are present around the Li+ ion, and the ion itself does not form a direct bond with the sulfonic group. A sharp jump in the Li+-O distances takes place between the first and second molecular layers around the cation.

ионитгидратацияквантово-химические расчетыион литиякоординационное числоion exchangerhydrationquantum-chemical calculationslithium ioncoordination numberReferencesМиграция ионов лития в неводном полимерном электролите на основе Нафион: квантово-химическое моделирование / Т. С. Зюбина [и др.] // Журн. неорган. химии. - 2016. - Т. 61, № 12. - С. 1606-1614.Zyubina T. S., Zyubin A. S., Dobrovol'skii Yu. A., Volokhov V. M. Migration of lithium ions in a nonaqueous nafion-based polymeric electrolyte: quantum-chemical modeling. Russian Journal of Inorganic Chemistry, 2016, vol. 61, no. 12, pp. 1545-1553. https://doi.org/10.1134/s0036023616120238Кулова, Т. Л. Проблемы низкотемпературных литий-ионных аккумуляторов / Т. Л. Кулова, А. М. Скундин // Электрохим. энергетика. - 2017. - Т. 17, № 2. - С. 61-88.Kulova T. K., Skundin A. M. Problems of low-temperature Li-ion batteries. Elektrokhimicheskaya Energetica [Electrochemical Energetics], 2017, vol. 17, no. 2, pp. 61-88 (in Russian).Люблинский, И. Е. Физико-химические основы использования лития в жидкометаллических системах термоядерного реактора / И. Е. Люблинский, А. В. Вертков, В. А. Евтихин // Вопр. атомной науки и техники. Сер. Термоядерный синтез. - 2007. - № 4. - С. 13-44.Lublinskiy I. E., Vertkov A. V., Evtikhin V. A. Physical chemical basis for the use of lithium in liquid metal systems of a thermonuclear reactor. Voprosy atomnoy nauki i tekhniki. Seriya termoyadernyi sintez = Problems of atomic science and technology. Series thermonuclear fusion, 2007, no. 4, pp. 13-44 (in Russian).Maemets, V. Effect of ions on the 17O and 1H NMR chemical shifts of water / V. Maemets, I. Koppel // J. Chem. Soc., Faraday transactions. - 1998. - Vol. 94, N 21. - P. 3261-3269. https://doi.org/10.1039/a805143gMaemets V., Koppel I. Effect of ions on the 17O and 1H NMR chemical shifts of water. Journal of the Chemical Society, Faraday transactions, 1998, vol. 94, no. 21, pp. 3261-3269. https://doi.org/10.1039/a805143gX-ray and neutron scattering studies of the hydration structure of alkali ions in concentrated aqueous solutions /S. Ansell [et al.] // Biophys. Chem. - 2006. - Vol. 124, N 3. - P. 171-179. https://doi.org/10.1016/j.bpc.2006.04.018Ansell S., Barnes A. C., Mason P. E., Neilson G. W., Ramos S. X-ray and neutron scattering studies of the hydration structure of alkali ions in concentrated aqueous solutions. Biophysical Chemistry, 2006, vol. 124, no. 3, pp. 171-179. https://doi.org/10.1016/j.bpc.2006.04.018Revelation of ion hydration in Raman scattering spectral bands of water / S. A. Burikov [et al.] // Laser Phys. - 2007. -Vol. 17, N 10. - P. 1255-1261. https://doi.org/10.1134/s1054660x0710012xBurikov S. A., Dolenko T. A., Fadeev V. V., Vlasov I. I. Revelation of ion hydration in Raman scattering spectral bands of water. Laser Physics, 2007, vol. 17, no. 10, pp. 1255-1261. https://doi.org/10.1134/s1054660x0710012xВоронцов, А. В. Сравнительный анализ состояний атомов лития и натрия в кластерах воды / А. В. Воронцов, Ю. В. Новаковская, Н. Ф. Степанов // Журн. физ. химии. - 2009. - Т. 83, № 7. - С. 1281-1292.Vorontsov A. V., Novakovskaya Y. V., Stepanov N. F. Comparative analysis of the state of lithium and sodium atoms in water clusters. Russian Journal of Physical Chemistry A, 2009, vol. 83, no. 7, pp. 1134-1144. https://doi.org/10.1134/s0036024409070164Зеленковский, В. М. Компьютерное моделирование структуры полимерных ионитов / В. М. Зеленковский. -Минск, 2012. - 327 с.Zelenkovskii V. M. Computer modelling of structure of polymeric ion exchangers. Minsk, 2012. 327 p. (in Russian).Huzinaga, S. Gaussian basis sets for molecular calculations / S. Huzinaga, J. Andzelm, M. Klobukowski. - Amsterdam, 1984. - 434 p.Huzinaga S., Andzelm J., Klobukowski M. Gaussian basis sets for molecular calculations. Amsterdam, 1984. 434 p.General atomic and molecular electronic structure system / M. W. Schmidt [et al.] // J. Comp. Chem. - 1993. - Vol. 14, N 11. - P. 1347-1363. https://doi.org/10.1002/jcc.540141112Schmidt M. W., Baldridge K. K., Boatz J. A., Elbert S. T., Gordon M. S., Jensen J. H., Koseki S., Matsunaga N., Nguyen K. A., Su S., Windus T. L., Dupuis M., Montgomery J. A. General atomic and molecular electronic structure system. Journal of Computational Chemistry, 1993, vol. 14, no. 11, pp. 1347-1363. https://doi.org/10.1002/jcc.540141112Soldatov, 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.2018.07.010Goldshmidt, V. M. Geochemische verteilung sgesetze der elemente. Skrifter norske videnskaps / V. M. Goldshmidt // Mat-Naturv. Klasse. - 1926. - Vol. 7, N 2. - P. 1-117.Goldshmidt V. M. Geochemische verteilungsgesetze der elemente. Skrifter norske videnskaps. Mat-Naturv Klasse, 1926, vol. 7, no. 2, pp. 1-117.Shoji, Morita. Theoretical studies on the Li+ ion hydration system by the molecular dynamics simulations with ab initio IMiC MO method / Shoji Morita, Shogo Sakai // Bul. Chem. Soc. Japan. - 2006. - Vol. 79, N 3. - P. 397-405. https://doi.org/10.1246/bcsj.79.397Shoji Morita, Shogo Sakai. Theoretical studies on the Li+ ion hydration system by the molecular dynamics simulations with ab initio IMiC MO method. Bulletin of the Chemical Society of Japan, 2006, vol. 79, no. 3, pp. 397-405. https://doi.org/10.1246/bcsj.79.397A theoretical study of the hydration of Li+ by Monte Carlo simulations with refined ab initio based model potentials / M. L. San-Roman [et al.] // Theoretical Chemistry Accounts. - 2006. - Vol. 115, N 2-3. - P. 177-189. https://doi.org/10.1007/s00214-005-0053-5San-Roman M. L., Carrillo-Tripp M., Saint-Martin H., Hernandez-Cobos J., Ortega-Blake I. A theoretical study of the hydration of Li+ by Monte Carlo simulations with refined ab initio based model potentials. Theoretical Chemistry Accounts, 2006, vol. 115, no. 2-3, pp. 177-189. https://doi.org/10.1007/s00214-005-0053-5The arrangement of first- and second-shell water molecules around metal ions: effects of charge and size / C. W. Bock [et al.] // Theoretical Chemistry Accounts. - 2006. - Vol. 115, N 2-3. - P. 100-112. https://doi.org/10.1007/s00214-005-0056-2Bock Ch. W., Markham G. D., Katz A. K., Glusker J. P. The arrangement of first- and second-shell water molecules around metal ions: effects of charge and size. Theoretical Chemistry Accounts, 2006, vol. 115, no. 2-3, pp. 100-112. https://doi.org/10.1007/s00214-005-0056-2

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