水分子簇
水分子簇，又稱水團簇、水簇、水分子團是一種不連續的氫鍵結構形成的水分子簇合物。[1]這些簇合物有的被實驗所證實，有的通過理論計算推測存在。它們有多種存在的形式：在冰中、在晶格中以及在液態水中。其中最簡單的就是二聚水（化學式：(H2O)2）。繼續進行科學研究十分重要，因為這使人們意識到水能自發地形成簇合物，而不是各向同性的無序物質。這可能可以解釋水的許多反常性質，例如其密度不完全遵守熱脹冷縮的規律。水分子簇也與一些特定超分子結構的穩定性有關。人類目前對自由水中水分子簇的了解很少，因此這被認為是未解決的化學問題之一。
理論研究（計算得出的結構）
[編輯]理論計算表明（參見：水模型），環狀的水分子簇(H2O)n中n的值可以從3取到60。隨着簇的體積增大，兩個氧原子之間的距離會因為所謂的共同多體相互作用而減小。這是因為電荷分佈發生變化造成氫受體分子成為一個更好的氫供體分子，同時導致水的總體積增大。六聚體中似乎存在多種同分異構體：環狀的、書狀的、包狀的、籠狀的、稜柱形的，它們的能量基本相同。七聚體和八聚體以籠狀形式存在，還未發現環狀或正方體形狀的異構體。更大的簇合物也有研究，類似於富勒烯的(H2O)28，這被稱為水布基球（water buckyball）。甚至一種由280個水分子組成的龐大的二十面體結構（每個水分子周圍最近有4個水分子）也被發現處於局部勢能極小值。這種結構的簇合物直徑達到3納米，由三個二十面體的層構成，每層分別有280個、100個和20個水分子（100個分子組成的結構見右上圖）。每增加一層都使得簇合物的穩定性得到提高。[2]近期的研究文獻對使用量子化學從頭計算方法研究水分子簇有較好的評價。[3][4]
實驗結構
[編輯]實驗觀察[5][6]水分子簇需要精密的光譜儀器，例如遠紅外振動轉動隧道光譜。將水分子困在液氦環境中，可以發現六聚體是一個平面環狀結構，在氣相中是籠狀結構，而將液氦換成某些有機物，就會發現它的構象類似於熟悉的環己烷構象。結合紅外光譜和質譜進行觀測可以發現立方形的結構存在於8到10個水分子的簇合物中。
如果水是晶體結構的一部分（例如水合物），就可以通過X射線繞射進行研究。一項近期的研究就用此法發現一種水的七聚體是扭船型的非平面環狀結構。[7]
對於任何自由水中超分子結構的研究是十分困難的，因為它們存在時間非常短。氫鍵不斷斷裂和形成所需時間小於200飛秒。[8]
自由水模型
[編輯]自由水的研究目前進展十分緩慢，目前主要使用量子簇平衡（QCE）方法。但是仍然沒有一種模型能夠較好地符合實驗中測得的密度。[9][10]
參見
[編輯]參考資料
[編輯]- ^ Ralf Ludwig. Water: From Clusters to the Bulk. Angew. Chem. Int. Ed. 2001, 40 (10): 1808–1827. PMID 11385651. doi:10.1002/1521-3773(20010518)40:10<1808::AID-ANIE1808>3.0.CO;2-1.
- ^ Loboda, Oleksandr; Goncharuk, Vladyslav. Theoretical study on icosahedral water clusters. Chemical Physics Letters: 144–147. Bibcode:2010CPL...484..144L. doi:10.1016/j.cplett.2009.11.025.
- ^ S. Maheshwary, N. Patel, N Sathyamurthy, A. D. Kulkarni, S. R. Gadre. Structure and Stability of Water Clusters (H2O)n, n = 8-20: An Ab Initio Investigation. J. Phys. Chem. a. 2001, 105 (46): 10525. doi:10.1021/jp013141b.
- ^ G. S. Fanourgakis, E. Aprà, W. A. de Jong, S. S. Xantheas. High-level ab initio calculations for the four low-lying families of minima of (H2O)20. II. Spectroscopic signatures of the dodecahedron, fused cubes, face-sharinbucky water g pentagonal prisms, and edge-sharing pentagonal prisms hydrogen bonding networks. J. Chem. Phys. 2005, 122 (13): 134304. Bibcode:2005JChPh.122m4304F. PMID 15847462. doi:10.1063/1.1864892.
- ^ C. J. Gruenloh, J. R. Carney, C. A. Arrington, T. S. Zwier, S. Y. Fredericks, K. D. Jordan. Infrared Spectrum of a Molecular Ice Cube: The S4 and D2d Water Octamers in Benzene-(Water)8. Science. 1997, 276 (5319): 1678. doi:10.1126/science.276.5319.1678.
- ^ M. R. Viant, J. D. Cruzan, D. D. Lucas, M. G. Brown, K. Liu, R. J. Saykally. Pseudorotation in Water Trimer Isotopomers Using Terahertz Laser Spectroscopy. J. Phys. Chem. a. 1997, 101 (48): 9032. doi:10.1021/jp970783j.
- ^ M. H. Mir, J. J. Vittal. Phase Transition Accompanied by Transformation of an Elusive Discrete Cyclic Water Heptamer to a Bicyclic (H2O)7 Cluster. Angew. Chem. Int. Ed. 2007, 46 (31): 5925–5928. PMID 17577896. doi:10.1002/anie.200701779.
- ^ Smith, Jared D.; Christopher D. Cappa, Kevin R. Wilson, Ronald C. Cohen, Phillip L. Geissler, Richard J. Saykally. Unified description of temperature-dependent hydrogen-bond rearrangements in liquid water (PDF). Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2005, 102 (40): 14171–14174 [2012-11-01]. Bibcode:2005PNAS..10214171S. PMC 1242322
. PMID 16179387. doi:10.1073/pnas.0506899102. （原始內容 (PDF)存檔於2018-11-01）.
- ^ Borowski, Piotr; Jaroniec, Justyna; Janowski, Tomasz; Woliński, Krzysztof. Quantum cluster equilibrium theory treatment of hydrogen-bonded liquids: Water, methanol and ethanol. Molecular Physics. 2003, 101 (10): 1413. doi:10.1080/0026897031000085083.
- ^ Lehmann, S. B. C.; Spickermann, C.; Kirchner, B. Quantum Cluster Equilibrium Theory Applied in Hydrogen Bond Number Studies of Water. 1. Assessment of the Quantum Cluster Equilibrium Model for Liquid Water. Journal of Chemical Theory and Computation. 2009, 5 (6): 1640. doi:10.1021/ct800310a.
外部連結
[編輯]- Water clusters at London South Bank University Link
- The Cambridge Cluster Database （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館） - Includes water clusters calculated with various water models and the water clusters explored with ab initio methods （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館）.
