Визуализация гидратации ионов магния и рубидия в сульфокатионите с помощью квантово-химического расчета

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.

1. Краткая химическая энциклопедия. – М.: Советская энциклопедия, 1961. – Т. 1А. – 631 с.

2. Самойлов, O. Я. Структура водных растворов электролитов и гидратация ионов / О. Я. Самойлов. – М.: Изд-во Акад. Наук СССР, 1957. – 182 с.

3. 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.2018.07.010

4. Менделеев, Д. И. Основы химии / Д. И. Менделеев. – СПб.: Типо-литография М. П. Фроловой, 1906. – 8-е изд. – 560 с.

5. 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)90034-2

6. Киргинцев, 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.

7. 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/10.29235/1561-8323-2020-64-4-421-425

8. Rowley, 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/ct300091w

9. Bankura, 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/10.1063/1.4772761

10. Sripa, 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.2016.09.028

11. Гордон, Дж. Е. Органическая химия растворов электролитов / Дж. Е. Гордон. – М.: Мир, 1979. – 712 с.

12. 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/ft9918702995

13. Ion 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.1373

14. Nature 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/jp070551c

15. Zavitsas, 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.2016.06.012