Linking electronic and molecular structure: insight into aqueous chloride solvation

文献情報

出版日 2013-05-31
DOI 10.1039/C3CP50652E
インパクトファクター 3.676
著者

Ling Ge, Leonardo Bernasconi, Patricia Hunt


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要旨

Aqueous chloride solutions are ubiquitous and diverse; systems include sea water, atmospheric droplets, geological processes and biological organisms. However, despite considerable effort, a complete microscopic model of the hydration shell, and local electronic structure of the aqueous chloride ion and its dynamics has not been established. In this work we employ ab initio molecular dynamics to study an aqueous chloride solution. In particular, local solvation events and the electronic structure around the chloride ion are interrogated. We employ the Effective Molecular Orbital (EMO) method which partitions the electronic structure into solute and solvent components while maintaining a rigorous quantum mechanical description of both. Movement of the chloride highest occupied molecular orbital (HOMO) energy within the valence band of water is revealed. The chloride ion has little impact on the average water electronic structure, however, locally the electronic effect of the chloride ion is significant. With the Hofmeister series in mind we find that the electronic effect of the chloride ion extends beyond the first solvation shell, but not beyond the edge of the second solvation shell. The chloride ion sits near the centre of the Hofmeister series because of an essential degeneracy between water–water and water–Cl H-bonding and because of a strong similarity in the water and chloride electronic structure. The chloride ion prefers to be symmetrically solvated by six H-bonding water molecules, however, the chloride HOMO energy and the coordination number oscillate in response to local fluctuations driven by the dynamics of the bulk water. A combined structural and electronic analysis has led to a distinction between two types of water molecule within the first solvation shell, those that H-bond to the chloride ion, and those that remain local (i.e. within the first solvation shell) but which H-bond to other water molecules. There are indications that these exhibit different dynamics with respect to residence times and rotational vs. translational motion.

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掲載誌

Physical Chemistry Chemical Physics

Physical Chemistry Chemical Physics
CiteScore: 5.5
自己引用率: 10.3%
年間論文数: 3036

Physical Chemistry Chemical Physics (PCCP) is an international journal co-owned by 19 physical chemistry and physics societies from around the world. This journal publishes original, cutting-edge research in physical chemistry, chemical physics and biophysical chemistry. To be suitable for publication in PCCP, articles must include significant innovation and/or insight into physical chemistry; this is the most important criterion that reviewers and Editors will judge against when evaluating submissions. The journal has a broad scope and welcomes contributions spanning experiment, theory, computation and data science. Topical coverage includes spectroscopy, dynamics, kinetics, statistical mechanics, thermodynamics, electrochemistry, catalysis, surface science, quantum mechanics, quantum computing and machine learning. Interdisciplinary research areas such as polymers and soft matter, materials, nanoscience, energy, surfaces/interfaces, and biophysical chemistry are welcomed if they demonstrate significant innovation and/or insight into physical chemistry. Joined experimental/theoretical studies are particularly appreciated when complementary and based on up-to-date approaches.

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