Clúster de agua - Water cluster
En química , un grupo de agua es un conjunto o grupo de moléculas de agua con enlaces de hidrógeno discretos . Muchos de estos grupos se han predicho mediante modelos teóricos ( in silico ), y algunos se han detectado experimentalmente en diversos contextos, como hielo , agua líquida a granel, en fase gaseosa , en mezclas diluidas con disolventes no polares y como agua de hidratación. en celosías de cristal . El ejemplo más simple es el dímero de agua (H 2 O) 2 .
Se han propuesto grupos de agua como una explicación de algunas propiedades anómalas del agua líquida , como su inusual variación de densidad con la temperatura. Los racimos de agua también están implicados en la estabilización de ciertas estructuras supramoleculares . Se espera que también desempeñen un papel en la hidratación de moléculas e iones disueltos en agua.
Predicciones teóricas
Los modelos de agua detallados predicen la aparición de grupos de agua, como configuraciones de moléculas de agua cuya energía total es un mínimo local.
De particular interés son los grupos cíclicos (H 2 O) n ; se ha predicho que existen para n = 3 a 60. La investigación muestra el resultado experimental del tamaño del grupo de agua con 20 moléculas de agua de 0,822 nm Usos de investigación de invariantes de gráficos para generar topologías de enlaces de hidrógeno de manera eficiente y predecir las propiedades físicas de los grupos de agua y el hielo . La utilidad de los invariantes gráfica se confirmó por considerando dos grupos de agua, la (H 2 O) 6 jaula y (H 2 O) 20 dodecaedro, el cual, asociado con más o menos los mismos arreglos átomo de oxígeno en fases sólida y líquida de agua. A bajas temperaturas, casi el 50% de las moléculas de agua se incluyen en grupos. A medida que aumenta el tamaño del grupo, se encuentra que la distancia de oxígeno a oxígeno disminuye, lo que se atribuye a las llamadas interacciones cooperativas de muchos cuerpos: debido a un cambio en la distribución de carga, la molécula aceptora de H se convierte en una mejor molécula donante de H con cada expansión de la montaje de agua. Parece que existen muchas formas isoméricas para el hexámero (H 2 O) 6 : desde anillo, libro, bolsa, jaula, hasta forma de prisma con una energía casi idéntica. Existen dos isómeros en forma de jaula para los heptámeros (H 2 O) 7 , y los octámeros (H 2 O) 8 se encuentran cíclicos o en forma de cubo.
Otros estudios teóricos predicen agrupaciones con estructuras tridimensionales más complejas. Los ejemplos incluyen el grupo similar al fullereno (H 2 O) 28 , llamado buckyball de agua , y la red icosaédrica monstruosa de 280 moléculas de agua (con cada molécula de agua coordinada con otras 4). Este último, que tiene 3 nm de diámetro, consta de conchas icosaédricas anidadas con 280 y 100 moléculas. También hay una versión aumentada con otra capa de 320 moléculas. Hay una mayor estabilidad con la adición de cada caparazón. Existen modelos teóricos de agrupaciones de agua de más de 700 moléculas de agua, pero no se han observado experimentalmente.
Observaciones experimentales
El estudio experimental de cualquier estructura supramolecular en agua a granel es difícil debido a su corta vida: los enlaces de hidrógeno se rompen y reforman continuamente en escalas de tiempo más rápido que 200 femtosegundos.
Sin embargo, se han observado agrupaciones de agua en la fase gaseosa y en mezclas diluidas de agua y disolventes no polares como el benceno y el helio líquido . La detección y caracterización experimental de los conglomerados se ha logrado con los siguientes métodos: espectroscopia de infrarrojo lejano | infrarrojo lejano (FIR), espectroscopia de vibración-rotación-tunelización | vibración-rotación-tunelización (VRT), Н-NMR y neutrones difracción. Se encuentra que el hexámero tiene geometría plana en helio líquido, una conformación de silla en solventes orgánicos y una estructura de jaula en la fase gaseosa. Los experimentos que combinan la espectroscopia IR con la espectrometría de masas revelan configuraciones cúbicas para grupos en el rango n = (8-10).
Cuando el agua forma parte de una estructura cristalina como en un hidrato , se puede utilizar la difracción de rayos X. Se determinó la conformación de un heptámero de agua (cíclico retorcido no plano) usando este método. Además, grupos de agua de múltiples capas con las fórmulas (H 2 O) 100 atrapado dentro de cavidades de varios grupos de polioxometalato también fueron reportados por Mueller et. Alabama.
Modelos de racimo de agua líquida a granel
Varios modelos intentan explicar las propiedades de volumen del agua asumiendo que están dominadas por la formación de racimos dentro del líquido. De acuerdo con la teoría de líquidos del equilibrio cuántico de agrupaciones (QCE), n = 8 agrupaciones dominan la fase de masa de agua líquida, seguida de n = 5 yn = 6 agrupaciones. Cerca del punto triple , se invoca la presencia de un grupo n = 24. En otro modelo, el agua a granel se forma a partir de una mezcla de anillos de hexámero y pentámero que contienen cavidades capaces de contener pequeños solutos. En otro modelo más existe un equilibrio entre un octámero de agua cúbico y dos tetrámeros cíclicos. Sin embargo, ningún modelo ha reproducido la densidad máxima del agua observada experimentalmente en función de la temperatura.
Ver también
Referencias
enlaces externos
- Grupos de agua en London South Bank University Link
- Cambridge Cluster Database : incluye grupos de agua calculados con varios modelos de agua y los grupos de agua explorados con métodos ab initio .