Оценка размеров и масс наночастиц в н-спиртах
Автор: Танганов Б.Б., Балданова Д.М., Ангапов В.Д., Багаева Т.В., Tanganov B.B., Baldanovа D.M., Angapov V.D., Bagaeva T.v
Журнал: Вестник Восточно-Сибирского государственного университета технологий и управления @vestnik-esstu
Рубрика: Естественные науки
Статья в выпуске: 3 (26), 2009 года.
Бесплатный доступ
Показана приемлемость разрабатываемых теоретических моделей в оценке сольватных чисел, масс и размеров наночастиц (сольватированных ионов) в различных спиртах.
Растворители, массы и размеры наночастиц
Короткий адрес: https://sciup.org/142142121
IDR: 142142121
Текст научной статьи Оценка размеров и масс наночастиц в н-спиртах
В связи с углубляющимся и обостряющимся дефицитом пресной воды в масштабах планеты все большую актуальность приобретают методы опреснения морской и океанской воды. Например, известен метод опреснения с помощью различных мембран, изготовление и эксплуатация которых сопряжена с большими энергетическими и экономическими затратами. При размере ячейки с радиусом 0,1 нм отмеченные затраты могут быть на порядок больше, чем изготовление мембраны с радиусом 0,2 нм. Поскольку радиусы гидратированных ионов (более 0.2 нм) значительно превышают радиус молекулы воды (0.138 нм), пропускаемой через мембрану, то оценка размеров гидратированных ионов-компонентов морской воды для изготовления мембран с оптимальными размерами представляет интерес. Об этом свидетельствуют запросы на предыдущие публикации по этой тематике [1, 2] от исследователей данной проблемы, например, из Института атомной энергии и океанографии г. Хайфа (Израиль).
Большинство растворителей относится к полярным и в них наблюдаются сольватационные процессы, приводящие в зависимости от природы среды к образованию в одних случаях – молекулярных сольватов, в других – сольватированных ионов, а в третьих - ассоциированных сольватированных ионов.
Образование сольватов недиссоциированными молекулами (молекулярных сольватов) обусловлено ван-дер-ваальсовыми и диполь-дипольными взаимодействиями, а образование сольватированных ионов (Ион·nS) – ион-дипольными взаимодействиями. До настоящего времени не существовало приемлемой теории оценки чисел гидратации и особенно сольватных чисел nS ионов, образующих сольватную оболочку с молекулами растворителя. Имеются отдельные сведения по nS ионов, определенных разными зарубежными и отечественными исследователями, но они, как правило, отличаются друг от друга на несколько единиц. Например, гидратное число иона К+ равно 16 по Реми и 1.9 – по Робинсону-Стоксу, и, несмотря на корректность исходных предпосылок, эти данные могут рассматриваться в качестве первого приближения, не более. Отметим, что ни один из известных методов не обладает универсальностью и не дает полного представления этого сложного процесса. Добавим, что известные в литературе данные, полученные разными методами, имеют значительный разброс для одного и того же иона. Это можно объяснить тем, что практически во всех случаях связь изучаемых свойств с сольватацией рассматривается косвенно и иногда делаются произвольные, ничем не оправданные, допущения. Кроме того, высокое значение гидратного числа иона калия по Реми можно объяснить тем, что рассматривалась модель гидратации ионов с участием всех молекул воды в образовании гидратных оболочек.
Разработан неэмпирический способ расчета сольватных чисел ионов в растворах [3, 4]:
n s = z i e R s 2/ r i p - 5 к ^ ТсК ; /2 pe , (1) где z i и r i - заряд и радиус иона.
Другим существенным параметром сольватированного иона является его масса.
Данные оценок сольватных чисел ионов ns по уравнению (1), приведенные в таблицах 1-2, позволяют по формуле ms = nsM + mi (2) оценить массу сольватированных ионов ms , являющуюся определяющим параметром при исследовании кинетических характеристик растворов электролитов (электропроводность, вязкость, диффузия, теплопроводность и т.п.).
Кроме прежних принятых обозначений, М - молярная масса растворителя; m i - масса иона. Массы некоторых гидратированных и сольватированных ионов (наночастиц) приведены в таблицах 1-2.
Рассмотрим размеры наночастиц - радиусы сольватированных ионов. В основе современных методов определения радиусов сольватированных ионов лежат теории Стокса и Стокса-Эйнштейна для вязкостей растворов электролитов, справедливые для движения малых ионов. Но при этом теория не дает критерия малости размеров ионов. Это предопределяет ограниченный выбор значений радиусов сольватированных ионов в различных средах.
По нашей концепции [1, 2], они могут быть вычислены на основе модели колеблющихся с плазмоподобной частотой частиц в растворах электролитов с использованием дисперсионного уравнения Власова.
Молекулы растворителя в сольватном комплексе совершают регулярные отклонения от своих равновесных координат, а это порождает локальные изменения плотности заряда, для которых выполняется в общем виде дисперсионное уравнение Власова:
Ю = to L< 1 + ( 3/2 .-kr . , . (3) Здесь m L = (4 п zizDe2n o /m ) - ленгмюровская плазменная частота ; z i e, zDe - заряды иона и диполя растворителя; n o = n s /V = ns/( 4/3 ) -n r s 3 - плотность зарядов, в рассматриваемом случае число молекул растворителя в сольватном комплексе, n s - сольватное число, M - масса молекулы растворителя, r s - радиус сольватированного иона.
Дипольный заряд равен zDe = p/l , где p - дипольный момент и l - дипольное расстояние для растворителя.
Уравнение Власова (3) учитывает частотную и пространственную дисперсию и потому является наиболее общим дисперсионным уравнением для системы зарядов с любой геометрией. Параметр затухания krD , где к - волновое число, rD - дебаевский радиус, имеет пределы изменения 0 < krD < 1. При krD = 0 пространственная дисперсия отсутствует, колебания частиц не вызываются из-за отсутствия частоты, распределение вещества и заряда однородное и изотропное. Таковы твердые тела с кубической решеткой и только те растворы электролитов, в которых могут возбуждаться плазменные колебания системы ионов с частотой ю = m L . При рассмотрении ионов электролита в растворах как системы зарядов имеет место krD = 1, т.е. пространственная дисперсия максимальна, колебания затухающие, но поддерживаются при частоте внешнего возмущения.
ю = 5/2 m L = ( 5/2 ) • (4 n zizDe2n0/m)11/. (4)
Распределение вещества и заряда в данном случае сферически - симметричное. Если умножить выражение (4) на постоянную Планка h и иметь в виду, что полная энергия hm равна (3/2)кБТ (при сферически - симметричном распределении учитываются все три степени свободы), то получится выражение (5), в которое введены значения no и zDe, приведенные ранее:
r s = ( 25 z i pen s ħ2/ 3 mlk Б 2Т2)1/2 . (5)
Значения радиусов гидратированных ионов в воде, рассчитанные по уравнению (5), также приведены в таблице 1.
Как видно из таблицы 1, оцененные гидратные числа и радиусы гидратированных ионов (размеры наночастиц) находятся в удовлетворительном соответствии с литературными данными, и рассматриваемая модель оценки n s и r s вполне приемлема для дальнейшего использования в качестве базы при определении таких транспортных свойств растворов сильных и слабых электролитов, как электропроводность, вязкость, диффузия и теплопроводность.
Характеристики гидратированных ионов
Таблица 1
Ион |
Радиус иона, ri , нм |
Масса иона m i |
Гидратное число, n s |
Масса гидратирован-ного иона, m s (ур. 2) |
Радиус*) гидратиро-ванног иона, r s , нм |
||||
ур.(1) |
ур.(6) |
ур.(8) |
ур.(5) |
ур.(7) |
ур.(9) |
||||
Li+ |
0.078 |
6.9 |
5.33 |
5.32 |
5.25 |
102.84 |
3.95 |
3.96 |
3.95 |
Na+ |
0.098 |
23 |
4.03 |
4.07 |
3.97 |
95.54 |
3.60 |
3.59 |
3.60 |
K+ |
0.149 |
39 |
2.29 |
2.24 |
2.25 |
80.22 |
2.98 |
2.97 |
2.98 |
Rb+ |
0.164 |
85.4 |
1.99 |
1.97 |
1.96 |
121.22 |
2.84 |
2.84 |
2.85 |
Cs+ |
0.183 |
132.9 |
1.67 |
1.72 |
1.64 |
162.96 |
2.69 |
2.72 |
2.69 |
NH 4 + |
0.168 |
18 |
1.91 |
1.91 |
1.89 |
52.38 |
2.81 |
2.81 |
2.81 |
F |
0.133 |
19 |
2.69 |
2.65 |
2.64 |
67.42 |
3.15 |
3.12 |
3.15 |
Cl - |
0.181 |
35.5 |
1.70 |
1.74 |
1.67 |
66.10 |
2.70 |
2.73 |
2.70 |
Br - |
0.196 |
79.9 |
1.49 |
1.59 |
1.46 |
106.72 |
2.59 |
2.64 |
2.59 |
J |
0.220 |
126.9 |
1.26 |
1.38 |
1.23 |
149.58 |
2.44 |
2.50 |
2.44 |
NO 3 - |
0.221 |
62 |
1.59 |
1.37 |
1.56 |
90.62 |
2.64 |
2.49 |
2.64 |
SCN- |
0.213 |
58 |
1.51 |
1.44 |
1.48 |
85.18 |
2.59 |
2.54 |
2.59 |
*) Литературные значения r s нм для ионов: Li+ – 0.370, Na+ – 0.330.
В таблице 2 представлены характеристики наночастиц - сольватированных ионов в среде нормальных спиртов.
Данные свидетельствуют о возможности оценки характеристик различных ионов (наночастиц) по разработанным модельным уравнениям (1) и (5).
Таблица 2 Характеристики наночастиц в спиртах
Ион |
Метанол |
||||||
ур.(1) |
Сольватное число, ns ур.(6) |
ур.(8) |
Масса сольватированной части- |
Радиус ур.(5) |
наночастицы, ур.(7) |
r s (нм) ур.(9) |
|
Li+ |
12.05 |
12.02 |
12.50 |
цы, m s , (ур.2) 392.50 |
0.376 |
0.377 |
0.372 |
Na+ |
9.41 |
9.51 |
9.76 |
324.12 |
0.346 |
0.346 |
0.342 |
K+ |
5.89 |
5.80 |
6.11 |
227.48 |
0.296 |
0.295 |
0.293 |
Rb+ |
5.27 |
5.23 |
5.47 |
254.04 |
0.285 |
0.285 |
0.282 |
Cs+ |
4.63 |
4.72 |
4.81 |
281.06 |
0.273 |
0.275 |
0.270 |
NH 4 + |
5.12 |
5.11 |
5.32 |
181.84 |
0.283 |
0.283 |
0.280 |
F |
6.70 |
6.62 |
6.95 |
233.40 |
0.309 |
0.307 |
0.306 |
Cl - |
4.69 |
4.77 |
4.87 |
185.58 |
0.274 |
0.276 |
0.271 |
Br - |
4.26 |
4.46 |
4.43 |
216.22 |
0.266 |
0.270 |
0.263 |
J |
3.79 |
4.03 |
3.94 |
248.18 |
0.255 |
0.260 |
0.252 |
NO 3 - |
4.45 |
4.02 |
4.63 |
204.40 |
0.270 |
0.259 |
0.267 |
SCN- |
4.29 |
4.16 |
4.46 |
195.28 |
0.266 |
0.263 |
0.264 |
Продолжение таблицы 2
Ион |
Этанол |
||||||
Сольватное число, |
n s |
Масса сольвати- |
Радиус наночастицы, |
r s (нм) |
|||
ур.(1) |
ур.(6) |
ур.(8) |
рованной части- |
ур.(5) |
ур.(7) |
ур.(9) |
|
цы, m s , (ур.2) |
|||||||
Li+ |
16.58 |
16.53 |
16.77 |
769.58 |
0.352 |
0.352 |
0.355 |
Na+ |
13.01 |
13.14 |
13.16 |
621.46 |
0.324 |
0.324 |
0.326 |
K+ |
8.25 |
8.13 |
8.34 |
418.50 |
0.279 |
0.278 |
0.281 |
Rb+ |
7.42 |
7.37 |
7.50 |
426.72 |
0.269 |
0.269 |
0.271 |
Cs+ |
6.56 |
6.68 |
6.62 |
434.66 |
0.258 |
0.260 |
0.260 |
NH 4 + |
7.22 |
7.20 |
7.29 |
350.12 |
0.267 |
0.267 |
0.268 |
F |
9.35 |
9.24 |
9.45 |
449.1 |
0.291 |
0.289 |
0.293 |
Cl - |
6.64 |
6.75 |
6.71 |
340.94 |
0.259 |
0.261 |
0.261 |
Br - |
6.06 |
6.33 |
6.12 |
358.66 |
0.252 |
0.255 |
0.253 |
J |
5.42 |
5.76 |
5.47 |
382.22 |
0.242 |
0.246 |
0.244 |
NO 3 - |
6.32 |
5.73 |
6.38 |
352.72 |
0.255 |
0.245 |
0.257 |
SCN- |
6.10 |
5.92 |
6.16 |
338.60 |
0.252 |
0.248 |
0.254 |
Ион |
Пропанол |
||||||
Сольватное число , |
n s |
Масса сольва- |
Радиус наночастицы |
r s (нм) |
|||
ур.(1) |
1 ур.(6) |
ур.(8) |
тированной |
ур.(5) |
ур.(7) |
ур.(9) |
|
частицы, m s , |
|||||||
(ур.2) |
|||||||
Li+ |
21.75 |
21.69 |
20.66 |
1311.90 |
0.337 |
0.378 |
0.341 |
Na+ |
17.11 |
17.28 |
16.25 |
1049.60 |
0.311 |
0.311 |
0.314 |
K+ |
10.92 |
10.76 |
10.38 |
694.20 |
0.268 |
0.267 |
0.270 |
Rb+ |
9.84 |
9.77 |
9.35 |
675.80 |
0.259 |
0.259 |
0.261 |
Cs+ |
8.71 |
8.88 |
8.28 |
655.50 |
0.248 |
0.250 |
0.251 |
NH 4 + |
9.58 |
9.56 |
9.10 |
592.80 |
0.256 |
0.257 |
0.259 |
F |
12.35 |
12.21 |
11.74 |
760.00 |
0.279 |
0.277 |
0.282 |
Ион |
Пропанол |
||||||
Сольватное число, |
n s |
Масса сольвати- |
Радиус наночастицы, |
r s (нм) |
|||
ур.(1) |
ур.(6) |
ур.(8) |
рованной части- |
ур.(5) |
ур.(7) |
ур.(9) |
|
цы, m s , (ур.2) |
|||||||
Cl - |
8.82 |
8.96 |
8.38 |
564.70 |
0.249 |
0.251 |
0.252 |
Br - |
8.07 |
8.42 |
7.67 |
564.10 |
0.242 |
0.245 |
0.245 |
J |
7.24 |
7.67 |
6.88 |
561.30 |
0.233 |
0.237 |
0.235 |
NO 3 - |
8.41 |
7.64 |
7.99 |
566.60 |
0.246 |
0.237 |
0.248 |
SCN- |
8.12 |
7.89 |
7.72 |
545.20 |
0.243 |
0.240 |
0.245 |
Ион |
Бутанол |
||||||
Сольватное число, |
n s |
Масса сольвати- |
Радиус наночастицы , |
r s (нм) |
|||
ур.(1) |
ур.(6) |
ур.(8) |
рованной части- |
ур.(5) |
ур.(7) |
ур.(9) |
|
цы, m s , (ур.2) |
|||||||
Li+ |
25.07 |
25.01 |
25.56 |
1862.08 |
0.322 |
0.322 |
0.323 |
Na+ |
19.76 |
19.95 |
20.15 |
1485.24 |
0.297 |
0.297 |
0.296 |
K+ |
12.66 |
12.48 |
12.92 |
975.84 |
0.256 |
0.255 |
0.255 |
Rb+ |
11.42 |
11.35 |
11.65 |
930.48 |
0.247 |
0.247 |
0.246 |
Cs+ |
10.13 |
10.32 |
10.34 |
882.52 |
0.238 |
0.240 |
0.237 |
NH 4 + |
11.12 |
11.10 |
11.35 |
840.88 |
0.245 |
0.245 |
0.244 |
F |
14.31 |
14.14 |
14.59 |
1077.94 |
0.267 |
0.265 |
0.266 |
Cl - |
10.26 |
10.42 |
10.46 |
794.74 |
0.239 |
0.240 |
0.238 |
Br - |
9.40 |
9.80 |
9.59 |
775.50 |
0.232 |
0.235 |
0.231 |
J |
8.44 |
8.94 |
8.62 |
751.46 |
0.224 |
0.227 |
0.223 |
NO 3 - |
9.78 |
8.90 |
9.98 |
785.72 |
0.235 |
0.226 |
0.234 |
SCN- |
9.45 |
9.19 |
9.65 |
757.30 |
0.232 |
0.230 |
0.232 |
Ион |
Пентанол |
||||||
Сольватное число, |
n s |
Масса сольвати- |
Радиус наночастицы, |
r s (нм) |
|||
ур.(1) |
ур.(6) |
ур.(8) |
рованной части- |
ур.(5) |
ур.(7) |
ур.(9) |
|
цы, m s , (ур.2) |
|||||||
Li+ |
29.18 |
29.11 |
29.07 |
2574.74 |
0.311 |
0.312 |
0.311 |
Na+ |
23.04 |
23.26 |
22.95 |
2050.52 |
0.288 |
0.287 |
0.286 |
K+ |
14.84 |
14.64 |
14.77 |
1344.92 |
0.248 |
0.248 |
0.247 |
Rb+ |
13.40 |
13.32 |
13.33 |
1264.60 |
0.240 |
0.240 |
0.239 |
Cs+ |
11.92 |
12.14 |
11.85 |
1181.86 |
0.231 |
0.232 |
0.230 |
NH 4 + |
13.06 |
13.03 |
12.99 |
1167.28 |
0.238 |
0.238 |
0.237 |
Продолжение таблицы 2 |
|||||||
F |
16.74 |
16.55 |
16.66 |
1492.12 |
0.259 |
0.257 |
0.257 |
Cl - |
12.06 |
12.25 |
11.99 |
1096.78 |
0.232 |
0.233 |
0.231 |
Br - |
11.07 |
11.53 |
11.01 |
1054.06 |
0.225 |
0.228 |
0.224 |
J |
9.96 |
10.54 |
9.90 |
1003.38 |
0.217 |
0.222 |
0.217 |
NO 3 - |
11.51 |
10.49 |
11.45 |
1074.88 |
0.228 |
0.222 |
0.227 |
SCN- |
11.13 |
10.83 |
11.07 |
1037.44 |
0.226 |
0.223 |
0.225 |
Ион |
Гексанол |
||||||
Сольватное число, |
n s |
Масса сольвати- |
Радиус наночастицы, rs (нм) |
||||
ур.(1) |
ур.(6) |
ур.(8) |
рованной части- |
ур.(5) |
ур.(7) |
ур.(9) |
|
цы, m s , (ур.2) |
|||||||
Li+ |
32.18 |
32.10 |
32.22 |
3289.26 |
0.301 |
0.301 |
0.302 |
Na+ |
25.42 |
25.67 |
25.46 |
2615.84 |
0.278 |
0.278 |
0.279 |
K+ |
16.41 |
16.18 |
16.44 |
1712.82 |
0.241 |
0.239 |
0.241 |
Ион |
Гексанол |
||||||
Сольватное число, |
n s |
Масса сольвати- |
Радиус наночастицы , rs (нм) |
||||
ур.(1) |
ур.(6) |
ур.(8) |
рованной части- |
ур.(5) |
ур.(7) |
ур.(9) |
|
цы, m s , (ур.2) |
|||||||
Rb+ |
14.82 |
14.73 |
14.86 |
1597.04 |
0.232 |
0.232 |
0.233 |
Cs+ |
13.19 |
13.43 |
13.22 |
1478.28 |
0.224 |
0.225 |
0.224 |
NH 4 + |
14.45 |
14.42 |
14.48 |
1491.90 |
0.231 |
0.231 |
0.231 |
F |
18.49 |
18.28 |
18.52 |
1904.98 |
0.250 |
0.249 |
0.251 |
Cl - |
13.34 |
13.55 |
13.38 |
1396.18 |
0.224 |
0.226 |
0.225 |
Br - |
12.25 |
12.76 |
12.29 |
1329.40 |
0.218 |
0.221 |
0.219 |
J |
11.03 |
11.67 |
11.06 |
1251.96 |
0.211 |
0.224 |
0.212 |
NO 3 - |
12.74 |
11.62 |
12.78 |
1361.48 |
0.221 |
0.223 |
0.222 |
SCN- |
12.32 |
11.99 |
12.36 |
1314.64 |
0.219 |
0.216 |
0.219 |
Ион |
Гептанол |
||||||
Сольватное число, |
n s |
Масса сольвати- |
Радиус наночастицы , rs (нм) |
||||
ур.(1) |
ур.(6) |
ур.(8) |
рованной части- |
ур.(5) |
ур.(7) |
ур.(9) |
|
цы, m s , (ур.2) |
|||||||
Li+ |
33.98 |
33.89 |
34.06 |
3948.58 |
0.293 |
0.293 |
0.292 |
Na+ |
26.88 |
27.13 |
26.93 |
3141.08 |
0.271 |
0.271 |
0.271 |
K+ |
17.40 |
17.16 |
17.43 |
2057.40 |
0.234 |
0.234 |
0.234 |
Rb+ |
15.74 |
15.64 |
15.76 |
1911.24 |
0.227 |
0.267 |
0.227 |
Cs+ |
14.02 |
14.28 |
14.03 |
1759.22 |
0.218 |
0.220 |
0.218 |
NH 4 + |
15.34 |
15.31 |
15.36 |
1797.44 |
0.225 |
0.225 |
0.225 |
F |
19.59 |
19.37 |
19.63 |
2291.44 |
0.244 |
0.243 |
0.244 |
Cl - |
14.18 |
14.40 |
14.20 |
1680.38 |
0.219 |
0.220 |
0.219 |
Br - |
13.04 |
13.57 |
13.05 |
1592.54 |
0.213 |
0.216 |
0.213 |
J |
11.76 |
12.43 |
11.76 |
1491.06 |
0.206 |
0.222 |
0.206 |
NO 3 - |
13.55 |
12.37 |
13.57 |
1633.80 |
0.216 |
0.222 |
0.216 |
SCN- |
13.11 |
12.76 |
13.12 |
1578.76 |
0.213 |
0.214 |
0.213 |
Ион |
Октанол |
||||||
Сольватное число, |
n s |
Масса |
Радиус наночастицы, r |
s (нм) |
|||
ур.(1) |
ур.(6) |
ур.(8) |
сольватиро- ур.(5) ур.(7) ур.(9) |
||||
ванной |
|||||||
частицы, ms , |
|||||||
(ур.2) |
|||||||
Li+ |
30.78 |
30.70 |
30.80 |
4008.30 |
0.285 |
0.285 |
0.285 |
Na+ |
24.35 |
24.58 |
24.37 |
3188.50 |
0.264 |
0.264 |
0.264 |
K+ |
15.74 |
15.54 |
15.77 |
2085.20 |
0.228 |
0.227 |
0.228 |
Rb+ |
14.26 |
14.17 |
14.26 |
1939.20 |
0.221 |
0.221 |
0.221 |
Cs+ |
12.70 |
12.93 |
12.71 |
1783.90 |
0.212 |
0.214 |
0.212 |
NH 4 + |
13.90 |
13.87 |
13.91 |
1825.00 |
0.219 |
0.219 |
0.219 |
F |
17.75 |
17.55 |
17.76 |
2326.50 |
0.237 |
0.236 |
0.237 |
Cl - |
12.85 |
13.04 |
12.86 |
1706.00 |
0.213 |
0.214 |
0.213 |
Br - |
11.81 |
12.29 |
11.82 |
1615.20 |
0.207 |
0.210 |
0.207 |
J |
10.65 |
11.25 |
10.66 |
1511.40 |
0.200 |
0.223 |
0.200 |
NO 3 - |
12.27 |
11.21 |
12.28 |
1657.10 |
0.210 |
0.223 |
0.210 |
SCN- |
11.87 |
11.56 |
11.88 |
1601.10 |
0.207 |
0.215 |
0.208 |
В работах [5, 6, 7] показана возможность математических методов в прогнозировании химических систем. В таблице 2 приведены оцененные по теоретическим уравнениям (1) и (5) величины сольватных чисел и радиусов наночастиц в нормальных спиртах в сравнении с рассчитанными методами нелинейных соотношений (уравнения 6 и 8) и многоуровневого моделирования (МУМ) (уравнения 7 и 9) с соответствующими коэффициентами нелинейных (R cub ) и многопараметрических (R mmr ) уравнений.
ns = a • X3 + b • X2 + c • X + d (6)
r i = a • X 3 + b • X 2 + c • X + d (7) n S = A ^ 1 + B • £ + C • N H + D • p + E (8) r s = A ^ 1 + B • s + C •N H + D • p + E (9)
где Х - радиусы ионов r i , нм; ^ l - сумма длин связей в молекуле растворителя ( 1- 10 8 см); е -диэлектрическая постоянная растворителя; Δ Н – энергия межмолекулярных взаимодействий растворителя, ккал/моль; р – дипольный момент молекулы растворителя, Д.
В таблицах 3 и 4 представлены коэффициенты кубических уравнений (6) и (7) для оценки сольватных и гидратных чисел, а также размеров наночастиц 12 ионов в 9 растворителях, в таблице 5 – базисные параметры растворителей для расчетов по ММУМ.
Коэффициенты выведенных уравнений для оценки гидратных, сольватных чисел и наноразмеров изучаемых ионов в спиртах и в воде методом многоуровневого моделирования приведены в таблицах 5 и 6.
Как видно, уравнения отличаются высокими значениями коэффициентов регрессии кубических уравнений R cub и уравнений ММУМ R mmr , что свидетельствует о высокой вероятности модельных уравнений, а также о надежности и воспроизводимости расчетных величин, сопоставимых с теоретическими величинами, полученными по уравнениям (1) и (5).
Таблица 3
Сольватные числа по кубическому уравнению (6)
Радиусы сольватированных ионов по кубическому уравнению (8)
Растворитель |
H 2 O |
МеОН |
ЕtOH |
PrOH |
BuOH |
AmOH |
HeOH |
HpOH |
OcOH |
a |
-1.232 |
-2.475 |
-3.353 |
-4.361 |
-4.985 |
-5.765 |
-6.338 |
-6.675 |
-6.054 |
b |
7.693 |
15.48 |
20.96 |
27.27 |
31.18 |
36.06 |
39.64 |
41.74 |
37.84 |
c |
-16.87 |
-34.03 |
-46.05 |
-59.88 |
-68.52 |
-79.22 |
-87.12 |
-91.67 |
-83.09 |
d |
14.38 |
30.31 |
41.29 |
53.88 |
61.85 |
71.70 |
78.93 |
83.17 |
75.37 |
R cub |
0.9898 |
0.9902 |
0.9901 |
0.9901 |
0.9901 |
0.9901 |
0.9900 |
0.9900 |
0.9902 |
Таблица 4
Растворитель |
H 2 O |
МеОН |
ЕtOH |
PrOH |
BuOH |
AmOH |
HeOH |
HpOH |
OcOH |
a |
-0.291 |
-0.2461 |
-0.2243 |
-0.221 |
-0.2130 |
-0.1785 |
-0.1913 |
-0.1868 |
-0.1682 |
b |
1.831 |
1.5677 |
1.4314 |
1.398 |
1.3487 |
1.1681 |
1.2174 |
1.1863 |
1.0895 |
c |
-4.395 |
-3.731 |
-3.405 |
-3.291 |
-3.160 |
-2.841 |
-2.871 |
-2.792 |
-2.622 |
d |
6.415 |
5.839 |
5.415 |
5.197 |
4.971 |
4.706 |
4.604 |
4.480 |
4.317 |
R cub |
0.9742 |
0.9774 |
0.9789 |
0.9754 |
0.9803 |
0.9794 |
0.9793 |
0.9793 |
0.9795 |
Таблица 5 |
|||||||||
Базисные параметры для расчетов методом МУМ |
|||||||||
Растворитель |
H 2 O |
МеОН |
ЕtOH |
PrOH |
BuOH |
AmOH |
HeOH |
HpOH |
OcOH |
^ 1 -10 8 см |
1.26 |
3.48 |
5.02 |
6.56 |
8.11 |
9.65 |
11.19 |
12.73 |
14.27 |
ε |
78.3 |
32.63 |
24.30 |
20.33 |
17.70 |
14.40 |
13.30 |
11.10 |
9.90 |
Δ Н, Ккал/моль |
3.390 |
4.592 |
5.230 |
5.608 |
6.261 |
6.473 |
6.489 |
6.578 |
6.566 |
р , Д |
1.84 |
1.70 |
1.69 |
1.68 |
1.66 |
1.65 |
1.64 |
1.70 |
2.00 |
Таблица 6
Оценка гидратных и сольватных чисел ионов ММУМ по уравнению (7)
Ион |
A |
B |
Коэффициенты уравнения (7) |
E |
R mmr |
|
C |
D |
|||||
Li+ |
1.9326 |
0.06520 |
2.5597 |
-20.3989 |
26.5716 |
0.9989 |
Na+ |
1.5433 |
0.05070 |
2.0078 |
-16.1851 |
21.0330 |
0.9989 |
K+ |
1.0281 |
0.03070 |
1.2429 |
-10.6327 |
13.9032 |
0.9961 |
Rb+ |
0.9353 |
0.02735 |
1.1187 |
-9.6359 |
12.5731 |
0.9960 |
Cs+ |
0.8413 |
0.02361 |
0.9828 |
-8.6104 |
11.2415 |
0.9962 |
NH 4 + |
0.9140 |
0.02665 |
1.0895 |
-9.3849 |
12.2222 |
0.9961 |
F |
1.1459 |
0.03540 |
1.4277 |
-11.8897 |
15.4681 |
0.9959 |
Cl- |
0.8496 |
0.02399 |
0.9982 |
-8.6843 |
11.3154 |
0.9962 |
Br- |
0.7867 |
0.02199 |
0.9171 |
-8.0168 |
10.3908 |
0.9963 |
J |
0.7149 |
0.01912 |
0.8159 |
-7.2344 |
9.3817 |
0.9963 |
NO 3 - |
0.8154 |
0.02305 |
0.9524 |
-8.3353 |
10.8360 |
0.9962 |
SCN- |
0.7916 |
0.02205 |
0.9142 |
-8.0810 |
10.5267 |
0.9960 |
Таблица 7
Оценка размеров наночастиц в воде и спиртах по уравнению (9)
Ион |
A |
Коэффициенты уравнения (9) |
Rmmr |
|||
B |
C |
D |
E |
|||
Li+ |
-0.05876 |
-0.00157 |
-0.14380 |
0.04403 |
4.5590 |
0.9907 |
Na+ |
-0.04601 |
-0.00294 |
-0.17796 |
-0.01847 |
4.5292 |
0.9927 |
K+ |
-0.04015 |
-0.00504 |
-0.16418 |
-0.03947 |
4.0575 |
0.9927 |
Rb+ |
-0.03968 |
-0.00537 |
-0.15871 |
-0.02176 |
3.9000 |
0.9923 |
Cs+ |
-0.03837 |
-0.00572 |
-0.14505 |
-0.04352 |
3.7616 |
0.9890 |
NH 4 + |
-0.03701 |
-0.00576 |
-0.16673 |
-0.05164 |
3.9711 |
0.9898 |
F |
-0.04293 |
-0.004293 |
-0.15866 |
-0.03032 |
4.1247 |
0.9921 |
Cl- |
-0.03986 |
-0.005750 |
-0.14065 |
-0.01801 |
3.7141 |
0.9984 |
Br- |
-0.03779 |
-0.00657 |
-0.15005 |
-0.03459 |
3.7275 |
0.9892 |
J |
-0.03698 |
-0.00697 |
-0.13626 |
-0.04720 |
3.5842 |
0.9854 |
NO 3 - |
-0.03720 |
-0.00645 |
-0.15599 |
-0.03901 |
3.7958 |
0.9900 |
SCN- |
-0.03919 |
-0.00672 |
-0.14517 |
-0.01585 |
3.6892 |
0.9935 |
Таким образом, уравнения ММУМ позволяют прогнозировать сольватные числа и размеры наночастиц в различных растворителях.