Solvation of Nanoions in Aqueous Solutions

化学 霍夫迈斯特系列 离子 化学物理 溶剂化 外推法 电荷密度 吸附 表面电荷 水溶液 致潮剂 计算化学 物理化学 有机化学 物理 量子力学 哲学 数学分析 语言学 数学
作者
Philipp Dullinger,Dominik Horinek
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
标识
DOI:10.1021/jacs.3c09494
摘要

In recent years it has been increasingly recognized that different classes of large ions with multiple valency have effects conceptually similar to weakly solvated ions in the Hofmeister series, also labeled by the term chaotropic. The term "superchaotropic effect" has been coined because these effects are much more strongly pronounced for nanometer-sized ions, whose adsorption properties often resemble typical surfactants. Despite this growing interest in these nanometer-sized ions, a simple conceptual extension of the Hofmeister series toward nanoions has not been achieved because an extrapolation of the one-dimensional surface charge density scale does not lead to the superchaotropic regime. In this work, we discuss a generic model that is broadly applicable to ions of nearly spherical shape and thus includes polyoxometalates and boron clusters. We present a qualitative classification scheme in which the ion size appears as a second dimension. Ions of different sizes but the same charge density differ in their bulk solvation free energy. As the ions grow bigger at constant surface charge density, they become more stable in solution, but the adsorption behavior is still governed by the surface charge density. A detailed molecular dynamics simulation study of large ions that is based on a shifted Lennard-Jones potential is presented that supports the presented classification scheme.

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