Исследование гидратации фрагмента сульфокатионообменника методом молекулярной динамики

Нечаева Л.С.

Воронежский государственный университет,

Воронеж, Россия.

Молодой учёный.

[email protected]

Научный руководитель: Бутырская Е.В.

На основании ранее проведенного квантово-химического моделирования [1] установлено наличие молекул воды между фиксированным и подвижным ионами в оптимизированной структуре сульфокатионообменника, что позволяет сделать заключение о том, что удерживание ионов в данной системе осуществляется не только за счет электростатического взаимодействия фиксированного и подвижного иона, но и за счет водородной связи между гидратными оболочками противоионов. Вышеизложенное обуславливает актуальность исследования свойств водородных связей в гидратированных ионообмениках для изучения процессов сорбции в данных системах. В настоящей работе с применением молекулярно-динамического моделирования исследованы параметры Н-связей, образующихся между молекулами воды близи функциональных групп сульфокатионообменника. Исследуемая модель включала в себя два составных повторяющихся звена сульфокатионообменника в Na-форме, помещенных в водное окружение. При моделировании вблизи функциональной группы находилось в среднем 10 – 12 молекул воды, общее количество молекул воды на два звена составляло 66. В качестве начальной структуры фрагмента исследуемой системы выбрана структура с контактной ионной парой. Расчет показал, что с течением времени молекулы воды внедряются между фиксированным и подвижным ионом, т.е. происходит диссоциация ионной пары.

Динамика изменения длин водородных связей в структуре фрагмента сульфокатионообменника в Na-форме. Левый столбец – доля Н-связей в гидратированном катионообменнике, длины которых меньше средней длины водородного мостика в воде с ненарушенной структурой (0.278 нм), правый – доля Н-связей, длины которых больше, чем в воде с ненарушенной структурой, полученные методом молекулярной динамики при различном времени эволюции системы.

В результате расчета установлено, что длины водородных мостиков между молекулами воды во фрагменте сульфокатионообменника являются динамическими величинами, зависящими от времени эволюции системы. На рисунке представлена динамика изменения длин водородных связей во фрагменте сульфокатионообменника, рассчитанного методом молекулярной динамики при времени эволюции системы от 0 до 1000 пс.

Как видно из рисунка, при времени эволюции системы, большем, чем 200 пс, значительная часть водородных мостиков во фрагменте катионообменника имеет длину, большую, чем в воде с ненарушенной структурой, что свидетельствует об ослаблении Н-связей в исследованном фрагменте по сравнению с таковыми в жидкой воде. Ослабление водородных связей между молекулами воды обусловлено разрушением сетки водородных связей ионообменниками, фиксированные группы которых обладают отрицательным типом гидратации. Причем расчет показал, что даже в случае положительного типа гидратации катиона в исследованной системе, совместное воздействие катиона и аниона на структуру воды является разрушающим. Таким образом, разрушающее действие отрицательно гидратированного аниона преобладает над ориентирующим действием положительно гидратированного катиона.

Литература:

[1] Бутырская Е.В., Нечаева Л.С., Шапошник В.А., Селеменев В.Ф. Ж. Аналит. Хим. 64, 1028-1034 (2009)