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Theoretical Studies of the Formation Mechanisms, Thermodynamic Stabilities, and Water-Exchange Reactivities of Aluminum-Salicylate Complexes in Aqueous Solution

化学 水溶液 密度泛函理论 极化连续介质模型 齿合度 脱质子化 离解(化学) 吉布斯自由能 无机化学 反应速率常数 单体 计算化学 物理化学 分子 热力学 结晶学 离子 动力学 晶体结构 有机化学 溶剂化 物理 量子力学 聚合物
作者
Shaonan Dong,Wen‐Jing Shi,Jing Zhang,Shuping Bi
出处
期刊:ACS earth and space chemistry [American Chemical Society]
卷期号:2 (4): 422-431 被引量:5
标识
DOI:10.1021/acsearthspacechem.7b00141
摘要

The formation mechanisms, thermodynamic stabilities, and water-exchange reactivities of 1:1 monomer aluminum–salicylate (Al–salicylate) complexes in acidic aqueous solution are investigated using the density functional theory-quantum chemical cluster model (DFT-CM) method. (1) The formation pathways for possible monodentate and bidentate Al–salicylate configurations are modeled with the gas phase-supermolecule-polarizable continuum model (GP-SM-PCM). It shows that the formation pathways for the Al–salicylate complexes follow the Eigen-Wilkins mechanism, where the dissociation of an inner-shell coordinated water of Al3+ is the rate-determining step. (2) The formation constants Kaq for different Al–salicylate configurations are estimated based on the total Gibbs free energy changes ΔG° for their overall formation pathways. It is indicated that in the acidic aqueous solution at pH ∼ 3, the main existence form of the 1:1 monomer Al–salicylate complex is the phenol-deprotonated bidentate Al(Sal)(H2O)4+ with six-membered ring. Its log Kaq is calculated as 13.8, in good agreement with the literature values of 12.9–14.5. (3) The water-exchange reactions are modeled for different Al–salicylate configurations. The water-exchange rate constant for Al(Sal)(H2O)4+ is estimated as log kH2O = 3.9 s–1, close to the experimental value of 3.7 s–1. It proves again that this configuration is the dominant form under experimental conditions.

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