Влияние ионов примеси на количество водородных связей

Рассмотрено влияние различного количества ионов Cl⁻, Na⁺, и Na⁺+Cl⁻ на количество водородных связей в водном растворе. Проведен анализ влияния времени на водородные связи в водных растворах с ионами примеси....

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:

Bibliographische Detailangaben
Datum:	2016
Hauptverfasser:	Авраменко, А.А., Тыринов, А.И., Дмитренко, Н.П., Кравчук, А.В.
Format:	Artikel
Sprache:	Russian
Veröffentlicht:	Інститут технічної теплофізики НАН України 2016
Schriftenreihe:	Промышленная теплотехника
Schlagworte:	Тепло- и массообменные процессы
Online Zugang:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/142258
Tags:	Tag hinzufügen Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Zitieren:	Влияние ионов примеси на количество водородных связей / А.А. Авраменко, А.И. Тыринов, Н.П. Дмитренко, А.В. Кравчук // Промышленная теплотехника. — 2016. — Т. 38, № 2. — С. 20-25. — Бібліогр.: 16 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-142258
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-1422582018-10-03T01:22:56Z Влияние ионов примеси на количество водородных связей Авраменко, А.А. Тыринов, А.И. Дмитренко, Н.П. Кравчук, А.В. Тепло- и массообменные процессы Рассмотрено влияние различного количества ионов Cl⁻, Na⁺, и Na⁺+Cl⁻ на количество водородных связей в водном растворе. Проведен анализ влияния времени на водородные связи в водных растворах с ионами примеси. Розглянуто вплив різної кількості іонів Cl⁻, Na⁺ та Na⁺+Cl⁻ на кількість водневих зв’язків в водному розчині. Наведено аналіз впливу часу на водневі зв’язки в водних розчинах з іонами домішок. The effect of various amounts of ions Cl⁻, Na⁺, and Na⁺+Cl⁻ on the quantity of the hydrogen bonds in aqueous solution is investigated. The effect of time on the hydrogen bonds in aqueous solutions with impurity ions is analyzed. 2016 Article Влияние ионов примеси на количество водородных связей / А.А. Авраменко, А.И. Тыринов, Н.П. Дмитренко, А.В. Кравчук // Промышленная теплотехника. — 2016. — Т. 38, № 2. — С. 20-25. — Бібліогр.: 16 назв. — рос. 0204-3602 DOI: https://doi.org/10.31472/ihe.2.2016.02 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/142258 532.5: 536.24 ru Промышленная теплотехника Інститут технічної теплофізики НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
topic	Тепло- и массообменные процессы Тепло- и массообменные процессы
spellingShingle	Тепло- и массообменные процессы Тепло- и массообменные процессы Авраменко, А.А. Тыринов, А.И. Дмитренко, Н.П. Кравчук, А.В. Влияние ионов примеси на количество водородных связей Промышленная теплотехника
description	Рассмотрено влияние различного количества ионов Cl⁻, Na⁺, и Na⁺+Cl⁻ на количество водородных связей в водном растворе. Проведен анализ влияния времени на водородные связи в водных растворах с ионами примеси.
format	Article
author	Авраменко, А.А. Тыринов, А.И. Дмитренко, Н.П. Кравчук, А.В.
author_facet	Авраменко, А.А. Тыринов, А.И. Дмитренко, Н.П. Кравчук, А.В.
author_sort	Авраменко, А.А.
title	Влияние ионов примеси на количество водородных связей
title_short	Влияние ионов примеси на количество водородных связей
title_full	Влияние ионов примеси на количество водородных связей
title_fullStr	Влияние ионов примеси на количество водородных связей
title_full_unstemmed	Влияние ионов примеси на количество водородных связей
title_sort	влияние ионов примеси на количество водородных связей
publisher	Інститут технічної теплофізики НАН України
publishDate	2016
topic_facet	Тепло- и массообменные процессы
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/142258
citation_txt	Влияние ионов примеси на количество водородных связей / А.А. Авраменко, А.И. Тыринов, Н.П. Дмитренко, А.В. Кравчук // Промышленная теплотехника. — 2016. — Т. 38, № 2. — С. 20-25. — Бібліогр.: 16 назв. — рос.
series	Промышленная теплотехника
work_keys_str_mv	AT avramenkoaa vliânieionovprimesinakoličestvovodorodnyhsvâzej AT tyrinovai vliânieionovprimesinakoličestvovodorodnyhsvâzej AT dmitrenkonp vliânieionovprimesinakoličestvovodorodnyhsvâzej AT kravčukav vliânieionovprimesinakoličestvovodorodnyhsvâzej
first_indexed	2025-07-10T14:33:06Z
last_indexed	2025-07-10T14:33:06Z
_version_	1837270817659944960
fulltext	ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2015, т. 38, №220 ТЕПЛО- И МАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ УДК 532.5: 536.24 ВЛИЯНИЕ ИОНОВ ПРИМЕСИ НА КОЛИЧЕСТВО ВОДОРОДНЫХ СВЯЗЕЙ Авраменко А.А., чл.-кор. НАН Украины, Тыринов А.И., канд. техн. наук, Дмитренко Н.П., канд. техн. наук, Кравчук А.В. Институт технической теплофизики НАН Украины, ул. Желябова, 2 а, Киев, 03680, Украина The effect of various amounts of ions Cl-, Na +, and Na++Cl- on the quantity of the hydrogen bonds in aqueous solution is investigated. The effect of time on the hydrogen bonds in aqueous solutions with impurity ions is analyzed. Рассмотрено влияние различ- ного количества ионов Cl-, Na+, и Na++Cl- на количество водородных связей в водном растворе. Проведен анализ влияния времени на водород- ные связи в водных растворах с ио- нами примеси. Розглянуто вплив різної кількості іонів Cl-, Na+ та Na++Cl- на кількість водневих зв’язків в водному розчині. Наведено аналіз впливу часу на водневі зв’язки в водних розчинах з іонами домішок. Библ. 16, рис. 2. Ключевые слова: компьютерное моделирование, молекулярная динамика, водородная связь, ионы примесей, молекулы. а – ускорение; F – сила; m – масса атома; n – количество водородных связей; t – время; U –потенциальная энергия; x – координата; υ – скорость движения; Индексы: B – химическая связь; Введение Анализ динамики образования и разрыва во- дородных связей, является интересной задачей при молекулярном исследовании различный хи- мических растворов. Водородная связь являет- ся видом химического свойства атома водорода, которое позволяет соединить (объединить) его и другой электороотрицательный атом. Указан- ная особенность проявляется в виде межмолеку- лярных и внутримолекулярных взаимодействий. Наличие водородных связей в веществе сущес- твенно влияют на его физические (температура кипения, вязкость, летучесть) и химические (кис- лотность) свойства. Образование водородных связей с молекулами растворителя увеличивает растворимость вещества [1]. В настоящее время существуют различные способы исследования образования и разрыва водородных связей. Одними из наиболее распро- el – электростатика; hb – водородная связь; LJ – взаимодействие Ван-дер-Ваальса; n – количество водородных связей; v – валентные углы; κ – количество атомов примеси; φ – торсионные углы; ω – плоская группа. страненных являются методы спектрографии [2, 3], а также моделирование с помощью различных пакетов молекулярной динамики (МД) [4 – 8]. Используя МД, авторы работы [9] исследовали различные свойства водородной связи и время их жизни. Рассматривались как случаи с чистым во- дным раствором, так и при наличии в указанном растворе ионов примеси при различных темпера- турных условиях. В работе [10] используя экспериментальные (спектральные) и компьютерные (МД) методы рассматривалась динамика поведения водород- ных связей в водном растворе Na++ Cl- при тем- пературе 25…500 °С и давлении 1000 бар. В настоящем исследовании применялся ме- тод молекулярной динамики для выявления влияния на количество водородных связей раз- личного количества примесей ионов Cl-, Na+ и Na++Cl-. ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2016, т. 38, №2 21 ТЕПЛО- И МАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ Метод МД был выбран из-за того, что он поз- воляет получить реальную информацию о стро- ении и взаимодействии молекул того или иного вещества, а также дает возможность понять, или спрогнозировать протекание тех или иных физи- ческих и химических процессов внутри исследуе- мого микрообъекта. Также методы компьютерно- го моделирования (к которым относят МД) дают возможность связать между собой теоретические и экспериментальные наработки, особенно в тех случаях, когда аналитически сложно исследовать поведение молекул. Метод МД стали интенсивно применять для исследования молекулярной структуры воды с конца 60-х годов прошлого столетия. Впервые метод МД предложен был в [11, 12]. Методами МД старались адекватно описать радиальные корреляционные функции распределения плот- ности, получаемые с помощью рентгеновской и нейтронной дифракции. Современное развитие компьютерной техники значительно расшири- ло области использования МД. С помощью МД можно проанализировать химические и физиче- ские свойства различных веществ и материалов на наноуровне, а также особенности динамики их взаимодействия с другими средами. Указанный метод позволяет вычислить траектории движения отдельных атомов. МД дает возможность рассма- тривать процессы во временных масштабах в не- сколько наносекунд, где электростатические вза- имодействия более существенны по сравнению с квантовыми эффектами. Математическая модель В настоящее время общепринятой является следующая схема метода МД: рассматривается система с определенным количеством частиц и с заданным потенциалом взаимодействия между ними. В основу метода входит численное реше- ние классических уравнений движения частиц (1) в некотором выделенном объеме среды. Для каждого атома записывается уравнение движе- ния в виде второго закона Ньютона:  xF dt xdm i i i 2 2 , i = 1,2,...,N. (1) Предполагается, что все силы носят консер- вативный характер. Поэтому имеем     i i x xUxF    , (2) где U(x) – потенциальная энергия, зависящая от взаимного расположения всех атомов. Мгновенная температура в МД моделиро- вании определяется как средняя кинетическая энергия, приходящаяся на одну степень свободы расчетной системы:      N i ii B m Nk tT 1 2υ 3 1 , (3) где kB – константа Больцмана. Температура среды определяется усреднением ее мгновенных значе- ний Т(t) по некоторому интервалу времени. Потенциальная энергия, которая входит в уравнение (1), описывается выражением:   hbelLJvB UUUUUUUxU  ωφ , (4) При использовании математической модели (1) – (4) для моделирования процессов молеку- лярной динамики задаются периодические гра- ничные условия, т.е. молекулы и атомы, покида- ющие расчетную область, вносятся в нее через противоположную границу. Обычно при МД расчете используется алго- ритм Верле [13], когда положение точки может быть вычислено без знания скорости. Данный алгоритм является компромиссом между точно- стью процедуры расчета и скоростью ее реали- зации. Последовательность расчета имеет вид:     i i i m txFta ,  , i = 1,2,...,N. (5)       ttattt iii  υυ , i = 1,2,...,N. (6)         2 υ 2ttatttxttx iiii   , i = 1,2,...,N. (7) Для устранения эффекта нереального уско- рения молекул воды, что обусловлено видом уравнений (1), при моделировании методом МД расчет проводят, учитывая условие постоянства температуры. С этой целью применяют различ- ные приемы для поддержания постоянной тем- пературы, используя различные способы задания термостата [14, 15]. Одним из распространен- ных термостатов, используемых в молекулярной ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2016, т. 38, №222 ТЕПЛО- И МАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ динамике, является термостат Ланжевена [16]. При учете термостатирования уравнение дви- жения будет иметь вид:  FmU dt xdm iυγ2 2 , (8) Уравнение (8), в отличие от классических уравнений МД, включает две дополнительные силы: диссипативную силу γmυi и стохастиче- скую силу F+ (γ – коэффициент сопротивления). Эти две силы взаимосвязаны флуктационо-дис- сипативной теоремой [14]. Корреляция случай- ной силы определяется выражением:      2121 δδγ2 ttTktFtF ijBji  , (9) где δij – символ Кронекера, δ – дельта-функция. Уравнение (9) представляет собой стохастиче- ское уравнение Ланжевена. Для его численного решения используется метод Монте-Карло, суть которого состоит в интегрировании по случайной выборке атомов, а не по всей системе. Физическая постановка задачи На основе изложенной методики было про- ведено компьютерное моделирование влияния различного количества примесей в воде, а имен- но, ионов Cl-, Na+ и Na++Cl- на образование или разрыв водородных связей. Рассматриваемый водный раствор (чистый) состоял из 10 тыс. мо- лекул, в который вводилось разное количество ионов примеси. Исследовались четыре вариан- та конфигураций: первый – чистая среда (только молекулы воды), второй – в водные растворы вво- дятся 250 ионов Cl-, Na+ и Na++Cl-, третья – в воду вводятся 500 ионов Cl-, Na+ и Na++Cl-, четвертая – в воду вводятся 750 ионов Cl-, Na+ и Na++Cl-. Системы рассматривалась при температуре 298 К с периодическими граничными условиями. а ) б ) в ) Рис. 1. Зависимость количества водородных связей от концентрации ионов примесей: а) – Cl-; б) – Na+; и в) – Na++Cl-. ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2016, т. 38, №2 23 ТЕПЛО- И МАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ На рис. 1 представлены результаты исследо- вания зависимости количества водородных свя- зей от различной концентрации ионов примесей Cl- (а), Na+ (б) и Na++Cl- (в). Из рисунков видно, что ионы примесей оказывают существенное влияние на количество водородных связей, а именно, их увеличение способствует уменьше- нию количества водородных связей. Ионы при- месей не образуют водородные связи. Такой эффект скорее всего связан с диполь-диполь- ным взаимодействием. Водородная связь имеет электростатическую компоненту. В отличие от нее диполь-дипольное взаимодействие состоит в ковалентной составляющей. Если рассматривать случай, где примесью являются ионы хлора, то там нет или очень мало орбитального смешива- ния между наивысшей молекулярной орбиталью Cl- и наинизшей орбиталью H. А без орбитально- го смешивания водородные связи не образуются. Существует только диполь-дипольное взаимо- действие. Уменьшение количества водородных связей в рассмотренных растворах с увеличением кон- центрации примесей объясняется еще и тем, что введенные ионы имеют существенные размеры, и их добавление в чистый раствор способствует заполнению пространства, необходимого для об- разования указанных связей. Рис. 2. Зависимость количества водородных связей от концентрации ионов Cl-. Также рассматривались случаи влияния вре- мени на количество водородных связей в водных растворах с ионами Cl-, Na+ и Na++Cl-. Как видно из рис. 2, временной фактор не оказывал суще- ственного влияния на образование или разрыв водородных связей в водном растворе с различ- ной концентрацией примесей Cl-. В статье при- ведены результаты моделирования только для во- дного раствора с ионами Cl-, так как для других рстворов характер результатов идентичен. Выводы В настоящей работе приведены результаты компьютерного исследования влияния ионов примесей на количество водородных связей в во- дном растворе методом МД. Установлено, что увеличение концентрации ионов примесей при- водит к уменьшению количества водородных связей. При этом временной фактор не оказывает какого-либо существенного влияния. Из резуль- татов также видно, что наибольшее влияние на уменьшение водородных связей в водном раство- ре оказывают ионы Na++Cl-. ЛИТЕРАТУРА 1. Ахметов Н.С. Общая неорганическая хи- мия: Учебник для вузов / Н.С. Ахметов. – М.: Высш. Школа, 1981. – 679 с. 2. Казицина Л.А., Куплетская Н.Б. Примене- ние Уф, ИК, и ЯМР – спектрографии в органи- ческой химии / Л.А. Казицина, Н.Б. Куплетская. – М.: изд. Высш. Школа, 1971, – 264 с. 3. Отто М. Современные методы аналитиче- ской химии / М. Отто. – М.: Техносфера, 2008 ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2016, т. 38, №224 ТЕПЛО- И МАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ – 544 с. 4. Quirke N. Adsorption and transport at the nanoscalle / N. Quirke. – London –New York: Boca Raton, 2006. – 189 p. 5. MacElroy J.M.D. Nonequilibrium molecular dynamics simulation of diffusion and flow in thin microporous membranes // Journal of chemical physics. – 1994. – V. l01, N 6. – P. 5274-5280. 6. Frenkel D., Smit B. Understanding molecular simulation / D.Frenkel, B.Smit. – London: Academic Press, 1996. – 443 p. 7. Rapaport D.C. The art of molecular dynamics simulation / D.C. Rapaport. – London: Cambridge University Press, – 1996. – 400 p. 8. Товбин Ю.К. Метод молекулярной динами- ки в физической химии / Ю.К. Товбин – М.: На- ука, – 1996. – 334 с. 9. Chandra A. Structure and dynamics of hydrogen bonds in liquid water and aqueous solutions // Proc. Indian Nat. Sci. Akad. – 2003. – N 1. – pp. 49–59. 10. Bondarenko G.V., Gorbaty Yu. E., Okhulkov A.V. Structure and hydrogen bonding in liquid and supercritical aqueous NaCl solutions at pressure 1000 bar and temperature up to 500 °C: a comprehensive experimental ana computational study // J. Chem. Phys. – 2006. – V. 110. – pp. 4042– 4052. 11. Alder, B. J., and Wainwright, T. E. Phase transition for hard sphere system // J. Chem. Phys. – 1957. – V. 2. – pp. 1208–1209. 12. Alder, B. J., and Wainwright, T. E. Studies in molecular dynamics. I. General method // J. Chem. Phys. – 1959. – V. 31. – pp.459–466 13. Verlet L. Computer experiments on classical fluids. Thermodynamic properties of Lenerd-Jons molecules // Phys. Rev. –1967. – V. 159. – P. 98–103. 14. Allen M.P., Tildesley D.J. Computer Simulation of Liquids / M.P Allen, D.J. Tildesley – Oxford: Clarendon Press, – 1988. – 387 р. 15. Frenkel D., Smit B. Understanding Molecular Simulation: From Algorithms to Applications / D. Frenkel, B. Smit – San Diego: Academic Press, – 2002. – 638 р. 16. Heo S.J., Sinnott S.B., Brenner D.N., Harrison J.A. Nanotribology and nanomechanics / S.J. Heo, S.B. Sinnott, D.N. Brenner, J.A. Harrison – Berlin: Springer, – 2005. – 621 p. ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2016, т. 38, №2 25 ТЕПЛО- И МАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ THE INFLUENCE OF IMPURITIES ON THE NUMBER OF HYDROGEN BONDS Avramenko A.A., Tyrinon A.I., Dmitrenko N.P., Kravchuk A.V. Institute of Engineering Thermophysics of the National Academy of Sciences of Ukraine, vul. Zhelyabova, 2a, Kyiv, 03680 Ukraine The article the influence of different amounts of impurity ions, namely, Cl-, Na+, NaCl on hydrogen bonds in aqueous solution is investigated. The study was conducted using the method of molecular dynamics. It is found that increasing the concentration of the impurity ions reduces the amount of hydrogen bonding. At this time factor does not appear to have any significant effect. From the results also clear that the greatest impact on the reduction of the hydrogen bonds in aqueous solution having ions NaCl. References 16, figures 2. Key words: computer simulation, molecular dynamics, hydrogen bond, impurity ions, molecules. References 16. figures 2. 1. Akhmetov N.S. General Inorganic Chemistry: Textbook for Universities / N.S. Akhmetov. – M.: Higher School, 1981. – 679 p. 2. Kazitsina L.A., Kupletskaya N.B. Application of UV, IR, and NMR – Spectrograph in organic chemistry / L.A. Kazitsina, NB Kupletskaya. – M .: Ed. Executive. School, 1971 –264 p. 3. Otto M. Modern methods of analytical chemistry / M. Otto. – M .: Technosphere, 2008 – 544 p. 4. Quirke N. Adsorption and transport at the nanoscalle / N. Quirke. – London –New York: Boca Raton, 2006. – 189 p. 5. MacElroy J.M.D. Nonequilibrium molecular dynamics simulation of diffusion and flow in thin microporous membranes // Journal of chemical physics. – 1994. – V. l01, N 6. – P. 5274-5280. 6. Frenkel D., Smit B. Understanding molecular simulation / D.Frenkel, B.Smit. – London: Academic Press, 1996. – 443 p. 7. Rapaport D.C. The art of molecular dynamics simulation / D.C. Rapaport. – London: Cambridge University Press, – 1996. – 400 p. 8. Tovbin J.K. The method of molecular dynamics in physical chemistry / J.K. Tovbin – M.: Nauka, – 1996. – 334 p. 9. Chandra A. Structure and dynamics of hydrogen bonds in liquid water and aqueous solutions // Proc. Indian Nat. Sci. Akad. – 2003. – N 1. – pp. 49–59. 10. Bondarenko G.V., Gorbaty Yu. E., Okhulkov A.V. Structure and hydrogen bonding in liquid and supercritical aqueous NaCl solutions at pressure 1000 bar and temperature up to 500 °C: a comprehensive experimental ana computational study // J. Chem. Phys. – 2006. – V. 110. – pp. 4042–4052. 11. Alder, B. J., and Wainwright, T. E. Phase transition for hard sphere system // J. Chem. Phys. – 1957. – V. 2. – pp. 1208–1209. 12. Alder, B. J., and Wainwright, T. E. Studies in molecular dynamics. I. General method // J. Chem. Phys. – 1959. – V. 31. – pp.459–466 13. Verlet L. Computer experiments on classical fluids. Thermodynamic properties of Lenerd-Jons molecules// Phys. Rev. –1967. – V. 159. – P. 98–103. 14. Allen M.P., Tildesley D.J. Computer Simulation of Liquids / M.P Allen, D.J. Tildesley – Oxford: Clarendon Press, – 1988. – 387 р. 15. Frenkel D., Smit B. Understanding Molecular Simulation: From Algorithms to Applications / D. Frenkel, B. Smit – San Diego: Academic Press, – 2002. – 638 р. 16. Heo S.J., Sinnott S.B., Brenner D.N., Harrison J.A. Nanotribology and nanomechanics / S.J. Heo, S.B. Sinnott, D.N. Brenner, J.A. Harrison – Berlin: Springer, – 2005. – 621 p. Получено 19.01.2016 Received 19.01.2016

Влияние ионов примеси на количество водородных связей

Institution

Ähnliche Einträge