Введение
Две молекулы воды, связанные водородной связью; самый простой водяной кластер. Водный димер состоит из двух молекул воды, слабо связанных водородной связью. Это наименьший водяной кластер. Благодаря тому, что это самая простая модельная система для изучения водородных связей в воде, он стал объектом многочисленных теоретических (а затем и экспериментальных) исследований и получил название "теоретической морской свинки".
The water dimer consists of two water molecules loosely bound by a hydrogen bond. It is the smallest water cluster. Because it is the simplest model system for studying hydrogen bonding in water, it has been the target of many theoretical (and later experimental) studies that it has been called a "theoretical Guinea pig".
Структура и свойства
Энергия связывания между двумя молекулами воды, рассчитанная ab initio, оценивается в 5,6 ккал/моль, хотя в зависимости от метода были получены значения от 3 до 8. Экспериментально измеренные энергии диссоциации (включая ядерные квантовые эффекты) для (H2O)2 и (D2O)2 составляют 3,16 ± 0,03 ккал/моль (13,22 ± 0,12 кДж/моль) и 3,56 ± 0,03 ккал/моль (14,88 ± 0,12 кДж/моль) соответственно. Эти значения находятся в отличном согласии с результатами расчетов. Расстояние между атомами кислорода в основном колебательном состоянии экспериментально измерено как приблизительно 2,98 Å. Водородная связь почти линейна, но угол между ней и плоскостью молекулы-акцептора составляет около 57°. Основное колебательное состояние известно как линейный димер воды (показан на рисунке справа), который является почти вытянутым вращательным эллипсоидом (то есть, в терминах вращательных констант, A > B ≈ C). Другие конфигурации, представляющие интерес, включают циклический димер и бифуркированный димер.
История и актуальность
Первым теоретическим исследованием димера воды явился ab initio расчет, опубликованный в 1968 году Морокумой и Педерсеном. С тех пор димер воды остается предметом постоянного интереса теоретических химиков, изучающих водородные связи – поиск в базе данных CAS по состоянию на 2006 год выдает более 1100 соответствующих публикаций (73 из них опубликованы в 2005 году). Помимо того, что (H2O)2 служит моделью для изучения водородных связей, считается, что он играет значительную роль во многих атмосферных процессах, включая химические реакции, конденсацию и поглощение солнечной энергии атмосферой. Более того, полное понимание димера воды представляется ключевым для более глубокого понимания водородных связей в жидкой и твердой фазах воды.