Structures of ions accommodated in salty ice Ih crystals

文献情報

出版日 2021-07-20
DOI 10.1039/D1CP01624E
インパクトファクター 3.676
著者

Yuga Yashima, Yusuke Okada, Makoto Harada, Tetsuo Okada


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要旨

Frozen aqueous electrolytes are ubiquitous and involved in various phenomena occurring in the natural environment. Although salts are expelled from ice during freezing of aqueous solutions, minor amounts of the constituent ions are accommodated in the crystal lattice of ice. This phenomenon was associated with the generation of the Workman–Reynolds freezing potential. Molecular simulations also confirmed the ion incorporation in the crystal lattice of ice Ih upon freezing of aqueous electrolytes and identified possible local structures of the ions. However, no experimental information is available on the structure of ions accommodated in the crystal lattice of ice Ih. In this work, we use X-ray absorption fine structure (XAFS) to study the local structures of K+ and Cl− accommodated in ice Ih single crystals. Previous molecular simulations predicted that ions are trapped in the hexagonal cavities of the ice structure or replace two water molecules in the crystal lattice. Four possible configurations are considered and optimized by the calculations using ONIOM (QM/QM/QM). The results are evaluated in terms of the agreement between the experimental XAFS spectra and those simulated from the optimized structures. The spectra are most reasonably interpreted by assuming that K+ replaces one water molecule in the ice crystal lattice and is accommodated in a tetrahedral coordination cage. Similarly, Cl− probably adopts the same configuration, because it explains the coordination number better than other structures, such as that assuming the replacement of two water molecules belonging to the same hexagonal planes.

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掲載誌

Physical Chemistry Chemical Physics

Physical Chemistry Chemical Physics
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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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