Proton transfer and the mobilities of the H+ and OH− ions from studies of a dissociating model for water

化学 质子 氢氧化物 离子 水溶液 离域电子 分子动力学 扩散 化学物理 无机化学 分子 氢键 物理化学 计算化学 热力学 有机化学 物理 量子力学
作者
Song Hi Lee,Jayendran C. Rasaiah
出处
期刊:Journal of Chemical Physics [American Institute of Physics]
卷期号:135 (12) 被引量:198
标识
DOI:10.1063/1.3632990
摘要

Hydrogen (H+) and hydroxide (OH−) ions in aqueous solution have anomalously large diffusion coefficients, and the mobility of the H+ ion is nearly twice that of the OH− ion. We describe molecular dynamics simulations of a dissociating model for liquid water based on scaling the interatomic potential for water developed by Ojamäe-Shavitt-Singer from ab initio studies at the MP2 level. We use the scaled model to study proton transfer that occurs in the transport of hydrogen and hydroxide ions in acidic and basic solutions containing 215 water molecules. The model supports the Eigen-Zundel-Eigen mechanism of proton transfer in acidic solutions and the transient hyper-coordination of the hydroxide ion in weakly basic solutions at room temperature. The free energy barriers for proton transport are low indicating significant proton delocalization accompanying proton transfer in acidic and basic solutions. The reorientation dynamics of the hydroxide ion suggests changes in the proportions of hyper-coordinated species with temperature. The mobilities of the hydrogen and hydroxide ions and their temperature dependence between 0 and 50 °C are in excellent agreement with experiment and the reasons for the large difference in the mobilities of the two ions are discussed. The model and methods described provide a novel approach to studies of liquid water, proton transfer, and acid-base reactions in aqueous solutions, channels, and interfaces.
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