Conjunto de água - Water cluster
Em química , um aglomerado de água é uma montagem discreta ligada por hidrogênio ou aglomerado de moléculas de água . Muitos desses aglomerados foram previstos por modelos teóricos ( in silico ) e alguns foram detectados experimentalmente em vários contextos, como gelo , água líquida a granel, na fase gasosa , em misturas diluídas com solventes não polares e como água de hidratação em redes de cristal . O exemplo mais simples é o dímero de água (H 2 O) 2 .
Aglomerados de água foram propostos como uma explicação para algumas propriedades anômalas da água líquida , como sua variação incomum de densidade com a temperatura. Os aglomerados de água também estão implicados na estabilização de certas estruturas supramoleculares . Espera-se que eles desempenhem um papel também na hidratação de moléculas e íons dissolvidos na água.
Previsões teóricas
Modelos detalhados de água prevêem a ocorrência de aglomerados de água, como configurações de moléculas de água cuja energia total é um mínimo local.
De particular interesse são os grupos cíclicos (H 2 O) n ; estes foram previstos para existirem para n = 3 a 60. A pesquisa mostra o resultado experimental do tamanho do aglomerado de água com 20 moléculas de água de 0,822 nm. Pesquisas usam invariantes de gráfico para gerar topologias de ligação de hidrogênio com eficiência e prever propriedades físicas de aglomerados de água e gelo . O utilitário de invariantes gráfico é confirmada por considerando dois conjuntos de água, do (H 2 O) 6 gaiola e (H 2 O) 20 dodecahedron, que, associada com aproximadamente as mesmas modalidades átomo de oxigénio nas fases sólida e líquida da água. Em baixas temperaturas, quase 50% das moléculas de água são incluídas em clusters. Com o aumento do tamanho do cluster do oxigénio a distância de oxigénio se encontra a um decréscimo que é atribuído aos chamados interacções de muitos corpos cooperativos: devido a uma alteração na distribuição da carga da molécula de H-aceitador torna-se uma molécula de H-doador melhor com cada expansão do montagem de água. Muitas formas isoméricas parecem existir para o hexâmero (H 2 O) 6 : de anel, livro, bolsa, gaiola, a forma de prisma com energia quase idêntica. Existem dois isômeros em forma de gaiola para os heptâmeros (H 2 O) 7 , e os octâmeros (H 2 O) 8 são encontrados cíclicos ou na forma de um cubo.
Outros estudos teóricos prevêem clusters com estruturas tridimensionais mais complexas. Os exemplos incluem o aglomerado semelhante ao fulereno (H 2 O) 28 , denominado buckyball da água , e a rede icosaédrica monstro de 280 moléculas de água (com cada molécula de água coordenada com 4 outras). O último, que tem 3 nm de diâmetro, consiste em conchas icosaédricas aninhadas com 280 e 100 moléculas. Também existe uma versão aumentada com outra camada de 320 moléculas. Há maior estabilidade com a adição de cada concha. Existem modelos teóricos de aglomerados de água com mais de 700 moléculas de água, mas eles não foram observados experimentalmente.
Observações experimentais
O estudo experimental de qualquer estrutura supramolecular na água a granel é difícil por causa de sua vida curta: as ligações de hidrogênio estão continuamente se rompendo e se reformando em escalas de tempo mais rápidas do que 200 femtossegundos.
No entanto, aglomerados de água foram observados na fase gasosa e em misturas diluídas de água e solventes apolares como benzeno e hélio líquido . A detecção experimental e caracterização dos clusters foram alcançadas com os seguintes métodos: espectroscopia de infravermelho distante | infravermelho distante (FIR), espectroscopia de rotação-rotação-tunelamento | vibração-rotação-tunelamento (VRT), Н-NMR e nêutron difração. O hexâmero apresenta geometria plana no hélio líquido, uma conformação de cadeira em solventes orgânicos e uma estrutura em gaiola na fase gasosa. Experimentos combinando espectroscopia de infravermelho com espectrometria de massa revelam configurações cúbicas para aglomerados no intervalo n = (8-10).
Quando a água faz parte de uma estrutura cristalina como em um hidrato , a difração de raios-X pode ser usada. A conformação de um heptâmero de água foi determinada (cíclico torcido não planar) usando este método. Além disso, aglomerados de água em várias camadas com fórmulas (H 2 O) 100 presos dentro das cavidades de vários aglomerados de polioxometalato também foram relatados por Mueller et. al.
Modelos de cluster de água líquida a granel
Vários modelos tentam explicar as propriedades da água em massa, assumindo que elas são dominadas pela formação de aglomerados dentro do líquido. De acordo com a teoria do equilíbrio quântico do cluster (QCE) de líquidos, n = 8 clusters dominam a fase de volume de água líquida, seguido por n = 5 en = 6 clusters. Perto do ponto triplo , a presença de um cluster n = 24 é invocada. Em outro modelo, a água bruta é formada a partir de uma mistura de anéis de hexâmero e pentâmero contendo cavidades capazes de envolver pequenos solutos. Em ainda outro modelo, existe um equilíbrio entre um octâmero cúbico de água e dois tetrâmeros cíclicos. No entanto, nenhum modelo ainda reproduziu a densidade máxima da água observada experimentalmente em função da temperatura.
Veja também
Referências
links externos
- Aglomerados de água na London South Bank University Link
- The Cambridge Cluster Database - Inclui clusters de água calculados com vários modelos de água e os clusters de água explorados com métodos ab initio .