Аналіз енергетичних властивостей та радіальних функцій розподілу системи пропанол — вода
Проведено аналіз впливу концентрації пропанолу на властивості водного розчину пропанол — вода шляхом вивчення відповідних змін радіальних функцій розподілу та енергетичних властивостей системи. На основі аналізу енергетичних властивостей системи, радіальних функцій розподілу та числа найближчих сусі...
Gespeichert in:
| Veröffentlicht in: | Доповіді НАН України |
|---|---|
| Datum: | 2010 |
| Hauptverfasser: | , , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Ukrainisch |
| Veröffentlicht: |
Видавничий дім "Академперіодика" НАН України
2010
|
| Schlagworte: | |
| Online Zugang: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/30004 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Zitieren: | Аналіз енергетичних властивостей та радіальних функцій розподілу системи пропанол — вода / Н.О. Атамась, О.А. Василькевич, В.В. Кротенко // Доп. НАН України. — 2010. — № 8. — С. 83-87. — Бібліогр.: 9 назв. — укр. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1859796886965190656 |
|---|---|
| author | Атамась, Н.О. Василькевич, О.А. Кротенко, В.В. |
| author_facet | Атамась, Н.О. Василькевич, О.А. Кротенко, В.В. |
| citation_txt | Аналіз енергетичних властивостей та радіальних функцій розподілу системи пропанол — вода / Н.О. Атамась, О.А. Василькевич, В.В. Кротенко // Доп. НАН України. — 2010. — № 8. — С. 83-87. — Бібліогр.: 9 назв. — укр. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Доповіді НАН України |
| description | Проведено аналіз впливу концентрації пропанолу на властивості водного розчину пропанол — вода шляхом вивчення відповідних змін радіальних функцій розподілу та енергетичних властивостей системи. На основі аналізу енергетичних властивостей системи, радіальних функцій розподілу та числа найближчих сусідів в першій гідраційній оболонці визначено області зміни локальної структури розчину та запропоновано моделі для опису локальної будови розчину у кожній з визначених областей. Для підтвердження одержаних результатів про локальну структуру розчинів вода — пропиловий спирт, отриманих методом Монте-Карло, проведено експеримент з квазіпружного розсіювання нейтронів в цій рідинній системі. В результаті нейтронного експерименту одержано залежність коефіцієнта дифузії від концентрації спирту у розчині, яка корелює з розробленими теоретичними уявленнями про вплив концентрації молекул пропанолу на властивості водного розчину пропанол — вода.
The analysis of the influence of the propanol concentration on properties of propanol — water solutions by the study of proper changes of radial distribution functions and power properties of the system is performed. Based on the analysis of power properties of the system, the radial distribution functions and the number of nearest-neighbors in the first hydration shell, the areas of change of a local structure of the solution are identified, and models for the description of a local structure of the solution in each of the particular areas are suggested. To confirm the obtained results on the local structure of the water — propanol solutions, which were obtained by the Monte-Carlo method, an neutron scattering experiment in this liquid system is conducted. As a result of the neutron experiment, a dependence of the diffusion coefficient on the concentration of alcohol in a solution, which correlates with the developed theoretical concepts of the influence of the concentration of molecules on the properties of propanol — water solutions is obtained.
|
| first_indexed | 2025-12-02T14:03:03Z |
| format | Article |
| fulltext |
УДК 539.211
© 2010
Н.О. Атамась, О. А. Василькевич, В.В. Кротенко
Аналiз енергетичних властивостей та радiальних
функцiй розподiлу системи пропанол — вода
(Представлено академiком НАН України Л.А. Булавiним)
Проведено аналiз впливу концентрацiї пропанолу на властивостi водного розчину про-
панол — вода шляхом вивчення вiдповiдних змiн радiальних функцiй розподiлу та енер-
гетичних властивостей системи. На основi аналiзу енергетичних властивостей сис-
теми, радiальних функцiй розподiлу та числа найближчих сусiдiв в першiй гiдрацiйнiй
оболонцi визначено областi змiни локальної структури розчину та запропоновано моделi
для опису локальної будови розчину у кожнiй з визначених областей. Для пiдтверджен-
ня одержаних результатiв про локальну структуру розчинiв вода — пропиловий спирт,
отриманих методом Монте-Карло, проведено експеримент з квазiпружного розсiюван-
ня нейтронiв в цiй рiдиннiй системi. В результатi нейтронного експерименту одер-
жано залежнiсть коефiцiєнта дифузiї вiд концентрацiї спирту у розчинi, яка корелює
з розробленими теоретичними уявленнями про вплив концентрацiї молекул пропанолу
на властивостi водного розчину пропанол — вода.
Молекули органiчних одноатомних спиртiв, якi мають вiдносно невелику метильно-етильну
групу, є представниками речовин з амфiфiльно-подiбними молекулами, тобто молекул, що
можуть утворювати складнi структури в полярних або неполярних розчинах [1, 2] Вiдомо,
що гiдрофобнi властивостi молекул спирту пов’язанi з розмiром алкiльного ланцюжка мо-
лекули, в той же час гiдрофiльнi властивостi молекул спирту тiсно пов’язанi з дипольним
моментом молекули [3]. Завдяки дослiдженню концентрацiйної залежностi структури вод-
них розчинiв спиртiв iснує можливiсть на молекулярному рiвнi дослiдити вплив наведених
вище факторiв на структуру системи вода — пропиловий спирт, а також оцiнити вплив
довжини алкiльного ланцюжка на структурнi та енергетичнi властивостi водно-спиртових
розчинiв. Такi дослiдження можна провести за допомогою чисельного моделювання мето-
дом Монте Карло, використовуючи певнi модельнi системи.
Метою даної роботи є аналiз впливу концентрацiї пропанолу на властивостi водного
розчину пропанол — вода, який може бути проведений шляхом вивчення вiдповiдних змiн
в розрахованих радiальних функцiях розподiлу та в енергетичних властивостях системи.
Модель розчину. На сьогоднi iснує декiлька моделей, якi тiєю чи iншою мiрою є адек-
ватнi структурi рiдин та рiдинних систем [3]. В рамках таких моделей взаємодiя в рiдинi або
рiдиннiй системi може бути описана шляхом використання кулонiвського та леннард-джон-
сового потенцiалiв. При цьому для внутрiшньої енергiї дослiджуваної системи маємо:
U = ULJ + UCOUL =
∑
ij
4εij
[(
σij
rij
)
12
−
(
σij
rij
)
6
]
+
∑
ij
qiqj
rij
, (1)
де σij , εij — леннард-джонсовськi потенцiали взаємодiї мiж частинками; rij — вiдстань мiж
ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2010, №8 83
взаємодiючими частинками; qi — заряд частинки. Повна середня енергiя мiжмолекулярної
взаємодiї водного розчину спирту може бути наведена у виглядi:
〈Eсумарна〉 = 〈EЛД〉+ 〈EКулон〉 = 〈Eспирт–вода〉+ 〈Eспирт–спирт〉+ 〈Eвода–вода〉, (2)
де 〈Eвода–вода〉 — повна середня енергiя взаємодiї мiж молекулами води; 〈Eспирт-спирт〉 —
повна середня енергiя взаємодiї мiж молекулами спирту; 〈Eспирт-спирт〉 — повна середня
енергiя взаємодiї мiж молекулами води та спирту.
Методом Монте-Карло ми провели чисельний експеримент, метою якого було знаход-
ження радiальних функцiй розподiлу (РФР) для системи вода — пропанол за рiзних кон-
центрацiй та температурi T = 300 К. В процесi моделювання структури розчину вода-про-
пиловий спирт вважали, що молекули води та пропилового спирту є леннард-джонсовими
частинками. При цьому взаємодiя мiж силовими центрами у випадку взаємодiї мiж мо-
лекулами спирту описувались в рамках OPLS моделi [4]. Параметри потенцiалу молеку-
ли води описувались SPC/E моделлю [5]. Вважалося, що мiжатомнi зв’язки в молекулах
є жорсткими, а мiжмолекулярна взаємодiя є парною та адитивною. У виконаних нами
розрахунках молекули води та пропанолу моделювалися моделлю трьох силових центрiв.
Розрахунки проводились для системи, яка складалася з 126 молекул, розташованих у ку-
бiчнiй комiрцi з перiодичними граничними умовами. Розчин моделювався в NVT ансамблi
для густини, яка вiдповiдала значенням густини розчину при певному вмiсту спирту за
температури T = 300 К [6]. На кожному кроцi розрахунку для створення нової конфiгу-
рацiї випадковим чином обиралася молекула, яка оберталася навколо випадкової осi. При
цьому змiнювались усi три її декартовi координати, що гарантувало близько 50% вдалих
змiн конфiгурацiй. Iнтервал змiщень частинок становив ±0,15 Å i ±15◦ для обертiв. Всi
розрахунки проводилися за такою схемою: спочатку виконували 2 ·106 крокiв для врiвнова-
ження NVT ансамблю, а потiм наступнi 106 крокiв для одержання конфiгурацiйних даних,
потiм — 5 · 105 крокiв для одержання енергетичних характеристик системи. Розрахунки
енергiй у дослiджуванiй системi проводилися п’ять разiв, а одержанi данi усереднювалися.
Результати та їх обговорення. Методом Монте-Карло нами були розрахованi та про-
аналiзованi радiальнi функцiї розподiлу ймовiрностей розташування атомiв РФР в системi
пропанол — вода, проаналiзованi значення середнiх енергiй взаємодiй за рiзних концентра-
цiй при T = 300 К. Для перевiрки цих розрахункiв нами проведено експеримент з квазiу-
пружного розсiювання повiльних нейтронiв у вказаному розчинi. Одержанi результати для
середнiх енергiй мiжмолекулярних взаємодiй у системi вода — пропанол наведено на рис. 1.
Проаналiзуємо змiну структури водних кластерiв у розчинi спирт — вода залежно вiд
середнiх значень енергiї взаємодiї мiж молекулами води 〈Eвода–вода〉, що вiдбувається за
рахунок утворення та розривiв водневих зв’язкiв в серединi такого кластера або взаємодiї
молекул води з молекулами спирту. Одержуємо, що енергiя мiжмолекулярної взаємодiї у во-
дi становить 〈Eсумарна〉 ∼ (10,18 ± 0,3) ккал/моль, що корелює з даними роботи [7]. Згiдно
з [8], перебудова форми кластера з шести молекул води вiдбувається при 〈Eвода–вода〉 ∼ −9,1
ккал/моль, що вiдповiдає значенню концентрацiї пропанолу xпр ∼ 0,04 м. д.
Подальша трансформацiя будови водного кластера спостерiгається при xпр ∼ 0,15 м. д.
(〈Eвода–вода〉 ∼ −6,2 ккал/моль). При цiй концентрацiї починається формування утво-
рень з молекул води та пропанолу. Перехiд до водних кластерiв з трьох молекул води
(〈Eвода–вода〉 ∼ 2,5 ккал/моль) вiдбувається при концентрацiї пропанолу xпр ∼ 0,38 м. д.
На основi аналiзу одержаних залежностей енергiй мiжмолекулярних взаємодiй, радiаль-
них функцiй розподiлу та чисел найближчих сусiдiв ми визначили областi змiни локальних
84 ISSN 1025-6415 Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2010, №8
Рис. 1. Концентрацiйна залежнiсть середньої енергiї мiжмолекулярної взаємодiї в розчинi 〈Eсумарна〉 та її
складових при T = 300 К
структур дослiджуваної системи вода — пропиловий спирт: область концентрацiй xпр <
< 0,04 м. д., область концентрацiй xпр ∼ (0,04 ÷ 0,1) м. д. та область концентрацiй xпр ∼
∼ (0,1 ÷ 0,25) м. д. При досягненнi певної концентрацiї в iнтервалi xпр ∼ (0,18 ÷ 0,23) м. д.
за рахунок взаємодiї молекул пропанолу мiж собою та взаємодiї мiж молекулами води та
пропанолу вiдбувається формування кластерiв з шести молекул пропанолу, розташуван-
ня молекул в яких може бути описано з використанням моделi твердих сфер. При xпр ∼
∼ (0,25÷0,4) м. д. вiдбувається переформування структури кластерiв з молекул пропанолу,
якi вже в околi концентрацiй, бiльших за xпр ∼ 0,3 м. д. складаються з чотирьох молекул
пропанолу та нагадують за будовою оберненi мiцели.
Нами були розрахованi та проаналiзованi РФР для рiзних типiв взаємодiй у системi
пропанол — вода за рiзних концентрацiй при T = 300 К та проведено аналiз мiжатом-
них взаємодiй, якi визначають сiтку водневих зв’язкiв мiж молекулами води у системi
вода — пропанол за рiзних концентрацiй. Одержано, що середня вiдстань мiж атомами
кисню молекули води зi змiною концентрацiї пропанолу у розчинi не змiнюється i стано-
вить ∼ 3,1 Å (рис. 2). Встановлено, що зi змiною концентрацiї пропанолу змiнюється лише
положення першого максимуму Oвода − Oвода РФР. На основi аналiзу РФР, яка вiдповiдає
ймовiрностi знаходження атомiв кисню молекул води Oвода − Oвода, визначено три облас-
тi концентрацiй, в межах яких вiдбувається перебудова сiтки водневих зв’язкiв у розчинi.
Перша область вiдповiдає областi концентрацiй пропанолу xпр < 0,1 м. д., друга визна-
чається областю xпр ∼ (0,1 ÷ 0,4) м. д., в якiй значення першого пiку РФР (розташуван-
ня атомiв Oвода − Oвода, Oвода − Hвода) поступово зростають, третя знаходиться в межах
xпр ∼ (0,4 ÷ 0,6) м. д. Одержанi РФР для ймовiрностi розташування атомiв (див. рис. 2)
Oвода − Hвода показують незмiннiсть положення максимумiв РФР, що свiдчить про незмiн-
нiсть довжини водневих зв’язкiв мiж молекулами води (∼ 2,4 Å) у системi вода — пропанол.
Аналiз залежностi числа найближчих сусiдiв молекул вiд вмiсту пропанолу у розчинi по-
казує що в першiй гiдратацiйнiй сферi число найближчих сусiдiв вiдносно атому кисню
Oвода iнших молекул води завжди менше, нiж Nz = (0,5 ± 0,1). Це вказує на те, що атоми
кисню молекули води не повнiстю реалiзують можливiсть взаємодiяти мiж собою, а замiсть
цього вони взаємодiють з атомами молекул пропанолу. У випадку взаємодiї Oвода − Hвода
ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2010, №8 85
Рис. 2. РФР, що описують вiдносне розташування атомiв кисню та водню молекул води в системi вода —
пропиловий спирт (Oвода − Hвода) при T = 300 К
Рис. 3. Залежнiсть ефективного коефiцiєнта самодифузiї молекул розчину пропанол — вода вiд пропанолу,
що отримана за методом квазiпружного розсiювання нейтронiв
розрахунки вказують на те, що найбiльше число сусiдiв молекул iснує в околi концентрацiї
пропанолу xпр ∼ 0,1 м. д.
На нашу думку, це свiдчить про те, що в цих областях молекули води активно взаємодi-
ють як мiж собою так, i з молекулами пропанолу, за рахунок чого вiдбувається кардинальна
змiна локальної структури розчину. Для пiдтвердження одержаних результатiв про локаль-
ну структуру розчинiв вода — пропиловий спирт, отриманих нами методом Монте-Карло,
ми провели експеримент з квазiпружного розсiювання нейтронiв в цiй рiдиннiй системi.
В результатi нейтронного експерименту ми отримали залежнiсть ефективного коефiцiєнта
самодифузiї молекул розчину вiд концентрацiї спирту у розчинi [9], наведену на рис. 3. Як
бачимо, ефективний коефiцiєнт самодифузiї молекул у дослiджуваному розчинi має два
мiнiмуми, положення яких корелює з визначеними нами методом Монте-Карло значеннями
концентрацiй, в межах яких iснують певнi локальнi структури.
1. Rahman A. Triplet correlations in liquids // Phys. Rev. Lett. – 1964. – 12. – P. 575–577.
2. Saiz L. Structure and dynamics of liquid ethanol // J. Phys. Chem. B. – 1997. – 101. – P. 78–86.
3. Allen M.P., Tildesley D.Y. Computer simulation of liquids. – Oxford: Clarendon Press, 1998. – 620 p.
4. Jorgensen W. Structure and properties of liquid methanol // J. Am. Chem. Soc. – 1980. – 16. – P. 1022–
1028.
86 ISSN 1025-6415 Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2010, №8
5. Jorgensen W. Transferable intermolecular potential functions for water, alcohols, and ethers. Application
to liquid water // Ibid. – 1981. – 103. – P. 335–340.
6. Timmermans J. Physical-Chemical Constants of Binary Systems. Vol. 4. – London: Interscience, 1978. –
1320 p.
7. Astrand P-O., Lise P. Molecular dynamics study of water adopting a potential function with explicit
atomic dipole moments and anisotropic polarizabilities // Chem. Physics. – 1995. – 191. – P. 195–202.
8. Xantheats S. S. Cooperativity and hydrogen bonding network in water clusters // Ibid. – 2000. – 258. –
P. 225–231.
9. Булавiн Л.А., Кармазина Т.В., Клепко В.В., Слiсенко В. I. Нейтронна спектроскопiя конденсованих
середовищ. – Київ: ВД “Академперiодика”, 2005. – 670 с.
Надiйшло до редакцiї 30.12.2009Київський нацiональний унiверситет
iм. Тараса Шевченка
N.O. Atamas, O. А. Vasilkecich, V. V. Krotenko
Analysis of power properties and radial distribution functions in the
propanol — water system
The analysis of the influence of the propanol concentration on properties of propanol — water
solutions by the study of proper changes of radial distribution functions and power properties of the
system is performed. Based on the analysis of power properties of the system, the radial distribution
functions and the number of nearest-neighbors in the first hydration shell, the areas of change of a
local structure of the solution are identified, and models for the description of a local structure of
the solution in each of the particular areas are suggested. To confirm the obtained results on the
local structure of the water — propanol solutions, which were obtained by the Monte-Carlo method,
an neutron scattering experiment in this liquid system is conducted. As a result of the neutron
experiment, a dependence of the diffusion coefficient on the concentration of alcohol in a solution,
which correlates with the developed theoretical concepts of the influence of the concentration of
molecules on the properties of propanol — water solutions is obtained.
ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2010, №8 87
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-30004 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 1025-6415 |
| language | Ukrainian |
| last_indexed | 2025-12-02T14:03:03Z |
| publishDate | 2010 |
| publisher | Видавничий дім "Академперіодика" НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Атамась, Н.О. Василькевич, О.А. Кротенко, В.В. 2012-01-17T10:48:08Z 2012-01-17T10:48:08Z 2010 Аналіз енергетичних властивостей та радіальних функцій розподілу системи пропанол — вода / Н.О. Атамась, О.А. Василькевич, В.В. Кротенко // Доп. НАН України. — 2010. — № 8. — С. 83-87. — Бібліогр.: 9 назв. — укр. 1025-6415 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/30004 539.211 Проведено аналіз впливу концентрації пропанолу на властивості водного розчину пропанол — вода шляхом вивчення відповідних змін радіальних функцій розподілу та енергетичних властивостей системи. На основі аналізу енергетичних властивостей системи, радіальних функцій розподілу та числа найближчих сусідів в першій гідраційній оболонці визначено області зміни локальної структури розчину та запропоновано моделі для опису локальної будови розчину у кожній з визначених областей. Для підтвердження одержаних результатів про локальну структуру розчинів вода — пропиловий спирт, отриманих методом Монте-Карло, проведено експеримент з квазіпружного розсіювання нейтронів в цій рідинній системі. В результаті нейтронного експерименту одержано залежність коефіцієнта дифузії від концентрації спирту у розчині, яка корелює з розробленими теоретичними уявленнями про вплив концентрації молекул пропанолу на властивості водного розчину пропанол — вода. The analysis of the influence of the propanol concentration on properties of propanol — water solutions by the study of proper changes of radial distribution functions and power properties of the system is performed. Based on the analysis of power properties of the system, the radial distribution functions and the number of nearest-neighbors in the first hydration shell, the areas of change of a local structure of the solution are identified, and models for the description of a local structure of the solution in each of the particular areas are suggested. To confirm the obtained results on the local structure of the water — propanol solutions, which were obtained by the Monte-Carlo method, an neutron scattering experiment in this liquid system is conducted. As a result of the neutron experiment, a dependence of the diffusion coefficient on the concentration of alcohol in a solution, which correlates with the developed theoretical concepts of the influence of the concentration of molecules on the properties of propanol — water solutions is obtained. uk Видавничий дім "Академперіодика" НАН України Доповіді НАН України Фізика Аналіз енергетичних властивостей та радіальних функцій розподілу системи пропанол — вода Analysis of power properties and radial distribution functions in the propanol — water system Article published earlier |
| spellingShingle | Аналіз енергетичних властивостей та радіальних функцій розподілу системи пропанол — вода Атамась, Н.О. Василькевич, О.А. Кротенко, В.В. Фізика |
| title | Аналіз енергетичних властивостей та радіальних функцій розподілу системи пропанол — вода |
| title_alt | Analysis of power properties and radial distribution functions in the propanol — water system |
| title_full | Аналіз енергетичних властивостей та радіальних функцій розподілу системи пропанол — вода |
| title_fullStr | Аналіз енергетичних властивостей та радіальних функцій розподілу системи пропанол — вода |
| title_full_unstemmed | Аналіз енергетичних властивостей та радіальних функцій розподілу системи пропанол — вода |
| title_short | Аналіз енергетичних властивостей та радіальних функцій розподілу системи пропанол — вода |
| title_sort | аналіз енергетичних властивостей та радіальних функцій розподілу системи пропанол — вода |
| topic | Фізика |
| topic_facet | Фізика |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/30004 |
| work_keys_str_mv | AT atamasʹno analízenergetičnihvlastivosteitaradíalʹnihfunkcíirozpodílusistemipropanolvoda AT vasilʹkevičoa analízenergetičnihvlastivosteitaradíalʹnihfunkcíirozpodílusistemipropanolvoda AT krotenkovv analízenergetičnihvlastivosteitaradíalʹnihfunkcíirozpodílusistemipropanolvoda AT atamasʹno analysisofpowerpropertiesandradialdistributionfunctionsinthepropanolwatersystem AT vasilʹkevičoa analysisofpowerpropertiesandradialdistributionfunctionsinthepropanolwatersystem AT krotenkovv analysisofpowerpropertiesandradialdistributionfunctionsinthepropanolwatersystem |