甲醇水混合溶液的配位數(shù)研究

【摘 要】本文采用不同水模型研究甲醇水溶液的配位數(shù)，通過研究發(fā)現(xiàn)，TIP4P-甲醇和TIP5P-甲醇隨甲醇濃度變化具有相似的變化趨勢，且采用TIP3P-甲醇體系的配位數(shù)隨甲醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加急劇下降。

【關(guān)鍵詞】水模型；甲醇；配位數(shù)

The Integrated Coordination Numbers of Water-Methanol Mixtures With different Water Models

【Abstract】The interaction and properties of water-methanol mixtures with various water models （includingTIP3P，TIP4P，and TIP5P）are performed by means of molecular dynamics simulations.Compared with integrated coordination of TIP4P-Methanol and TIP5P-Methanol，the integrated coordination of TIP3P-Methanol with the increase of methanol quality score sharply.

【Key words】Water model；Methanol；Integrated coordination numbers

0.引言

在親水團(tuán)和疏水團(tuán)的水合作用研究中多采用甲醇水混合溶液，其原因在于甲醇水混合溶液存在一種復(fù)雜體系具有的動力學(xué)特性。一個恰當(dāng)?shù)乃Ｐ蛻?yīng)該是能足夠完整的描述水在特定的熱力學(xué)條件下的性質(zhì)，更應(yīng)該能描述出水團(tuán)簇及復(fù)雜相的情況。為了更好的實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)模擬[1]，對水模型的開發(fā)已經(jīng)做了大量的研究工作。本文采用不同水模型研究甲醇水混合溶液的配位數(shù)。

1.勢能模型及方法

在醇水溶液相互作用的研究中已經(jīng)采用了大量的勢能模型[2-9]。先前對甲醇水混合溶液的研究顯示大多采用OPLS勢能模型（液體模擬的優(yōu)化模型[2]）研究甲醇、水性質(zhì)所得結(jié)果較為理想。因此才本文的模擬工作中采用了OPLS勢能模型。模擬中涉及的水模型包括TIP3P（三個粒子作用），TIP4P（四個粒子作用）及 TIP5P（五個粒子作用）。

模擬盒子大小由實(shí)驗(yàn)密度確定，位能截?cái)嗖捎们蛐谓厝シ?，截?cái)喟霃綖榘雮€盒子的邊長。 截?cái)嗑嚯x之外的粒子間相互作用能采用長程校正法進(jìn)行校正，長程靜電相互作用力采用Ewald加和法計(jì)算。采用SHAKE算法固定甲醇分子的幾何構(gòu)形，用5階Gear預(yù)測-校正法求解體系的運(yùn)動方程。模擬系綜為正則系綜（NVT），溫度的控制采用Nose-Hoover 熱浴法。為了避免由于靜電存在引起的能量間斷，所有的模擬計(jì)算中使用了10?相互作用用于平滑能量的衰減。模擬過程中所取時間步長為2fs，每次模擬總時間為200ps，其中前100ps使體系達(dá)到平衡，后100ps用于統(tǒng)計(jì)計(jì)算各種性質(zhì)。

2.結(jié)果與討論

在以下的表述中我們使用C表示甲基群CH3.配位數(shù)（coordination number）是指某個粒子的最近鄰粒子個數(shù)。顯示了該粒子周圍的粒子分布密度大小，在一定程度上講，配位數(shù)的多少，也能反映該粒子周圍區(qū)域密度的大小。

圖1給出甲醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50%時，TIP3P-甲醇、TIP4P-甲醇、TIP5P-甲醇的配位數(shù)曲線圖，圖2給出了，TIP3P-甲醇、TIP4P-甲醇、TIP5P-甲醇的配位數(shù)隨甲醇濃度變化的曲線，分析圖2，發(fā)現(xiàn)TIP4P-甲醇、TIP5P-甲醇的配位數(shù)隨甲醇濃度的變化具有相似的變化趨向， TIP3P-甲醇第一溶劑圈內(nèi)的配位數(shù)受甲醇濃度影響較大，而TIP4P-甲醇和TIP5P-甲醇的情況影響較小。

3.結(jié)論

基于以上的計(jì)算分析，我們得到以下結(jié)論：通過對采用不同水模型的醇水混合溶液的配位數(shù)研究，發(fā)現(xiàn)采用三個水模型（TIP3P）構(gòu)成的甲醇水混合溶液第一溶劑圈內(nèi)的配位數(shù)都隨著甲醇濃度的增加而急劇下降，TIP4P-甲醇與TIP5P-甲醇體系的配位數(shù)隨甲醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加具有相似變化趨勢，且與TIP3P相比緩慢下降。

圖1 甲醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50%時，TIP3P-甲醇、TIP4P-甲醇、TIP5P-甲醇的配位數(shù)

Fig.1 Intergrated coordination numberNwmof TIP3P-Methanol， TIP3P-Methanol， and TIP3P-Methanol mixtures.

圖2 TIP3P-甲醇、TIP4P-甲醇、TIP5P-甲醇第一溶劑圈內(nèi)的配位數(shù)隨甲醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化

Fig.2 Intergrated coordination numberNwmof TIP3P-Methanol， TIP4P-Methanol， and TIP5P-Methanol mixtures for the first solvation shell neighbor with different methanol mass percentage.

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