Himičeskaâ fizikaHimičeskaâ fizikaХимическая физика0207-401XThe Russian Academy of Sciences68094910.31857/S0207401X24100028СТРОЕНИЕ ХИМИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ, КВАНТОВАЯ ХИМИЯ, СПЕКТРОСКОПИЯСтроение химических соединений, квантовая химия, спектроскопияResearch ArticleOrientational isomerism in water clusters (h2o)n = 2–5, corresponding to the complete set of oriented graphsОриентационная изомерия в кластерах воды (h2o)n = 2–5, соответствующих полному набору ориентированных графовShirokovaE. A.ШироковаЕ. А.
Russian Federation
ekashirokova@gmail.comIgnatovS. K.ИгнатовС. К.
Russian Federation
ekashirokova@gmail.comLobachevsky State University of Nizhni NovgorodНациональный исследовательский Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского151020244310213529052025Copyright ©; 2024, Russian Academy of SciencesCopyright ©; 2024, Российская академия наук2024Russian Academy of SciencesРоссийская академия наукhttps://transsyst.ru/0207-401X/article/view/680949

On the basis of quantum-chemical calculation X3LYP/6-311++G(2d, 2p) for orientational isomers of water clusters (H2O)n = 2–5, corresponding to the full set of oriented graphs with the number of vertices from 2 to 5, thermodynamic functions and concentrations of clusters in the gas phase have been determined. It is found that the phenomenon of orientational isomerism of water clusters must be taken into account to correctly estimate the gas-phase concentrations. For the full set of orientational isomers, the concentration of water clusters in the gas phase in saturated vapor under standard conditions is 1–2 orders of magnitude higher than the concentrations calculated only for the lowest-energy structures.

На основе квантовохимического расчета методом X3LYP/6-311++G(2d, 2p) для ориентационных изомеров кластеров воды (H2O)n = 2–5, соответствующих полному набору ориентированных графов с числом вершин от 2 до 5, определены термодинамические функции и концентрации кластеров в газовой фазе. Установлено, что для правильной оценки газофазных концентраций необходимо учитывать явление ориентационной изомерии кластеров воды. Для полного набора ориентационных изомеров концентрация кластеров воды в газовой фазе в насыщенном паре при стандартных условиях оказывается на 1–2 порядка выше концентраций, рассчитанных лишь для самых низкоэнергетических структур.

water clustershydrogen bondsorientational isomerismatmospheric chemistrygas-phase concentrationsthermodynamicsкластеры водыводородные связиориентационная изомерияатмосферная химиягазофазные концентрациитермодинамикаI.K. Larin, Russ. J. Phys. Chem. B 16, 492 (2022). https://doi.org/10.1134/S1990793122030083Ларин И.К. // Хим. физика. 2022. Т. 41. № 5. С. 37; doi: 10.31857/S0207401X22050089Il. S. Golyak, D. R. Anfimov, I. B. Vintaykin et al., Russ. J. Phys. Chem. B 17, 320 (2023). https://doi.org/10.1134/S1990793123020264Голяк И.С., Анфимов Д.Р., Винтайкин И.Б. и др. // Хим. физика. 2023. Т. 42. № 4. С. 3; doi: 10.31857/S0207401X23040088G.V. Golubkov, A.A Berlin, Y.A. Dyakov et al., Russ. J. Phys. Chem. B 17, 1216 (2023). https://doi.org/10.1134/S1990793123050214Голубков Г.В., Берлин А.А., Дьяков Ю.А. и др. // Хим. физика. 2023. Т. 42. № 10. С. 64; doi: 10.31857/S0207401X23100072V. Vaida, J. Chem. Phys. 135, 020901 (2011). https://doi.org/10.1063/1.3608919Vaida V. // J. Chem. Phys. 2011. V. 135. № 2. P. 020901; doi: 10.1063/1.3608919J.M. Anglada, G.J. Hoffman, L.V. Slipchenko et al., J. Phys. Chem. A 117, 10381 (2013). https://doi.org/10.1021/jp407282cAnglada J.M., Hoffman G.J., Slipchenko L.V. et al. // J. Phys. Chem. A. 2013. V. 117. № 40. P. 10381; doi: 10.1021/jp407282cN.C. Frederiks, A. Hariharan, and C.J. Johnson, Annu. Rev. Phys. Chem. 74, 99 (2023). https://doi.org/10.1146/annurev-physchem-062322-041503Frederiks N.C., Hariharan A., Johnson C.J. // Annu. Rev. Phys. Chem. 2023. V. 74. № 1. P. 99; doi: 10.1146/annurev-physchem-062322-041503S.K. Ignatov, P.G. Sennikov, A.G. Razuvaev et al., J. Phys. Chem. A 107, 8705 (2003). https://doi.org/10.1021/jp034618hIgnatov S.K., Sennikov P.G., Razuvaev A.G. et al. // J. Phys. Chem. A. 2003. V. 107. № 41. P. 8705; doi: 10.1021/jp034618hS.K. Ignatov, P.G. Sennikov, A.G. Razuvaev, and O. Schrems, J. Phys. Chem. A 108, 3642 (2004). https://doi.org/10.1021/jp038041fIgnatov S.K., Sennikov P.G., Razuvaev A.G. et al. // J. Phys. Chem. A. 2004. V. 108. № 16. P. 3642; doi: 10.1021/jp038041fK. Morokuma and C. Muguruma, J. Am. Chem. Soc. 116, 10316 (1994). https://doi.org/10.1021/ja00101a068Morokuma K., Muguruma C. // J. Amer. Chem. Soc. 1994. V. 116. № 22. P. 10316; doi: 10.1021/ja00101a068M.A. Vincent, I.J. Palmer, I.H. Hillier, and E. Akhmatskaya, J. Am. Chem. Soc. 120, 3431 (1998). https://doi.org/10.1021/ja973640jVincent M.A., Palmer I.J., Hillier I.H. et al. // J. Am. Chem. Soc. 1998. V. 120. № 14. P. 3431; doi: 10.1021/ja973640jS. Okumoto, N. Fujita, and S. Yamabe, J. Phys. Chem. A 102, 3991 (1998). https://doi.org/10.1021/jp980705bOkumoto S., Fujita N., Yamabe S. // J. Phys. Chem. A. 1998. V. 102. № 22. P. 3991; doi: 10.1021/jp980705bJ.D. Bernal and R.H. Fowler, J. Chem. Phys. 1, 515 (1933). https://doi.org/10.1063/1.1749327Bernal J.D., Fowler R.H. // J. Chem. Phys. 1933. V. 1. № 8. P. 515; doi: 10.1063/1.1749327K.D. Jordan and K. Sen, in Chemical Modelling (Royal Society of Chemistry, Cambridge, 2016). https://doi.org/10.1039/9781782626862-00105Jordan K.D., Sen K. // Chemical Modelling. V.13. Cambridge: Royal Society of Chemistry, 2016. P. 105; doi: 10.1039/9781782626862-00105S.R. Gadre, S.D. Yeole, and N. Sahu, Chem. Rev. 114, 12132 (2014). https://doi.org/10.1021/cr4006632Gadre S.R., Yeole S.D., Sahu N. // Chem. Rev. 2014. V. 114. № 24. P. 12132; doi: 10.1021/cr4006632S.S. Xantheas, J. Chem. Phys. 102, 4505 (1995). https://doi.org/10.1063/1.469499Xantheas S.S. // J. Chem. Phys. 1995. V. 102. № 11. P. 4505; doi: 10.1063/1.469499M.E. Dunn, E.K. Pokon, and G.C. Shields, Int. J. Quantum Chem. 100, 1065 (2004). https://doi.org/10.1002/qua.20251Dunn M.E., Pokon E.K., Shields G.C. // Intern. J. Quantum Chem. 2004. V. 100. № 6. P. 1065; doi: 10.1002/qua.20251M.E. Dunn, E.K. Pokon, and G.C. Shields, J. Am. Chem. Soc. 126, 2647 (2004). https://doi.org/10.1021/ja038928pDunn M.E., Pokon E.K., Shields G.C. // J. Amer. Chem. Soc. 2004. V. 126. № 8. P. 2647; doi: 10.1021/ja038928pB. Temelso, K.A. Archer, and G.C. Shields, J. Phys. Chem. A 115, 12034 (2011). https://doi.org/10.1021/jp2069489Temelso B., Archer K.A., Shields G.C. // J. Phys. Chem. A. 2011. V. 115. № 43. P. 12034; doi: 10.1021/jp2069489D.M. Bates and G.S. Tschumper, J. Phys. Chem. A 113, 3555 (2009). https://doi.org/10.1021/jp8105919Bates D.M., Tschumper G.S. // J. Phys. Chem. A. 2009. V. 113. № 15. P. 3555; doi: 10.1021/jp8105919A.E. Galashev, O.R. Rakhmanova, and V.N. Chukanov, Khimicheskaya fizika 24, 90 (2005). https://doi.org/Галашев А.Е., Рахманова О.Р., Чуканов В.Н. // Хим. физика. 2005. Т. 24. № 3. C. 90.O.A. Novruzova, A.N. Novruzov, O.R. Rakhmanova, and A.E. Galashev, Khimicheskaya fizika 26, 74 (2007). https://doi.org/Новрузова О.А., Новрузов А.Н., Рахманова О.Р. и др. // Хим. физика. 2007. Т. 26. № 7. C. 74.A.E. Galashev, Russ. J. Phys. Chem. B 7, 502 (2013). https://doi.org/10.1134/S1990793113050047Галашев А.Е. // Хим. физика. 2013. Т. 32. № 7. C. 86; doi: 10.7868/S0207401X1305004XA.E. Galashev, Russ. J. Phys. Chem. B 8, 793 (2014). https://doi.org/10.1134/S1990793114110049Галашев А.Е. // Хим. физика. 2014. Т. 33. № 11. C. 32; doi: 10.7868/S0207401X14110041S.V. Drozdov and A.A. Vostrikov, Tech. Phys. Lett. 26, 397 (2000). https://doi.org/10.1134/1.1262856Дроздов С.В., Востриков А.А. // Письма в ЖТФ. 2000. Т. 26. № 11. С. 90.E.D. Belega, K.A. Tatarenko, D.N. Trubnikov and E.A. Cheremukhin, Russ. J. Phys. Chem. B. 3, 404 (2009). https://doi.org/10.1134/S1990793109030105Белега Е.Д., Татаренко К.А., Трубников Д.Н. и др. // Хим. физика. 2009. Т. 28. № 5. C. 79.V. Babin and F. Paesani, Chemical Physics Letters 580, 1 (2013). https://doi.org/10.1016/j.cplett.2013.06.041Babin V., Paesani F. // Chem. Phys. Lett. 2013. V. 580. P. 1; doi: 10.1016/j.cplett.2013.06.041Y. Wang, V. Babin, J. M. Bowman, and F. Paesani, J. Am. Chem. Soc. 134, 11116 (2012). https://doi.org/10.1021/ja304528mWang Y., Babin V., Bowman J.M. et al. // J. Amer. Chem. Soc. 2012. V. 134. № 27. P. 11116; doi: 10.1021/ja304528mM.D. Tissandier, S.J. Singer, and J.V. Coe, J. Phys. Chem. A 104, 752 (2000). https://doi.org/10.1021/jp992711tTissandier M.D., Singer S.J., Coe J.V. // J. Phys. Chem. A. 2000. V. 104. № 4. P. 752; doi: 10.1021/jp992711tJ.D. Mallory and V.A. Mandelshtam, J. Chem. Phys. 145, 064308 (2016). https://doi.org/10.1063/1.4960610Mallory J.D., Mandelshtam V.A. // J. Chem. Phys. 2016. V. 145. № 6. P. 064308; doi: 10.1063/1.4960610S. E. Brown, A. W. Götz, X. Cheng et al., J. Am. Chem. Soc. 139, 7082 (2017). https://doi.org/10.1021/jacs.7b03143Brown S.E., Götz A.W., Cheng X. et al. // J. Amer. Chem. Soc. 2017. V. 139. № 20. P. 7082; doi: 10.1021/jacs.7b03143S.K. Ignatov, A.G. Razuvaev, P.G. Sennikov, and O. Schrems, J. Mol. Struct.: THEOCHEM 908, 47 (2009). https://doi.org/10.1016/j.theochem.2009.05.003Ignatov S.K., Razuvaev A.G., Sennikov P.G. et al. // J. Mol. Struct.: THEOCHEM. 2009. V. 908. № 1–3. P. 47; doi: 10.1016/j.theochem.2009.05.003Y.A. Dyakov, S.O. Adamson, P.K. Wang et al., Russ. J. Phys. Chem. B 16, 543 (2022). https://doi.org/10.1134/S1990793122030149Дьяков Ю.А., Адамсон С.О., Ванг П.К. и др. // Хим. физика 2022. Т. 41. № 6. С. 85; doi: 10.31857/S0207401X22060036.E.A. Shirokova, A.G. Razuvaev, A.V. Mayorov et al., J. Clust. Sci. 34, 2029 (2023). https://doi.org/10.1007/s10876-022-02365-9Shirokova E.A., Razuvaev A.G., Mayorov A.V. et al. // J. Clust. Sci. 2023. V. 34. № 4. P. 2029; doi: 10.1007/s10876-022-02365-9G. Brinkmann, J. Math. Chem. 46, 1112 (2009). https://doi.org/10.1007/s10910-008-9496-yBrinkmann G. // J. Math. Chem. 2009. V. 46. № 4. P. 1112; doi: 10.1007/s10910-008-9496-yJ.-L. Kuo, J.V. Coe, S.J. Singer, Y.B. Band, and L. Ojamäe, J Chem. Phys. 114, 2527 (2001). https://doi.org/10.1063/1.1336804Kuo J.-L., Coe J.V., Singer S.J. et al. // J. Chem. Phys. 2001. V. 114. № 6. P. 2527; doi: 10.1063/1.1336804T. Miyake and M. Aida, Chem. Phys. Lett. 363, 106 (2002). https://doi.org/10.1016/S0009-2614(02)01150-8Miyake T., Aida M. // Chem. Phys. Lett. 2002. V. 363. № 1–2. P. 106; doi: 10.1016/S0009-2614(02)01150-8B. McKay, Combinatorial data. — URL: https://users.cecs.anu.edu.au/~bdm/data/graphs.htmlMcKay B. Combinatorial data; https://users.cecs.anu.edu.au/~bdm/data/graphs.htmlS.K. Ignatov, A.G. Razuvaev, and A.E. Masunov, in Book of Abstracts ”16-Th V. A. Fock Meeting on Quantum, Theoretical and Computational Chemistry” (Sochi, 2018), p. 10.Ignatov S.K., Razuvaev A.G., Masunov A.E. // Book of Abstracts ”16-th V. A. Fock meeting on Quantum, Theoretical and Computational Chemistry”. Sochi, Russia, 2018. P. 10.D.C. Liu and J. Nocedal, Mathematical Programming 45, 503 (1989). https://doi.org/10.1007/bf01589116Liu D.C., Nocedal J. // Mathemat. Programming. 1989. V. 45. № 1–3. P. 503; doi: 10.1007/bf01589116B.D. McKay and A. Piperno, J. Symb. Comput. 60, 94 (2014). https://doi.org/10.1016/j.jsc.2013.09.003McKay B.D., Piperno A. // J. Symb. Comput. 2014. V. 60. P. 94; doi: 10.1016/j.jsc.2013.09.003M.J. Frisch, G.W. Trucks, H.B. Schlegel, G.E. Scuseria, M.A. Robb, J.R. Cheeseman, J.A. Montgomery Jr., T. Vreven, K.N. Kudin, J.C. Burant, J.M. Millam, S.S. Iyengar, J. Tomasi, V. Barone, B. Mennucci, M. Cossi, G. Scalmani, N. Rega, G.A. Petersson, H. Nakatsuji, M. Hada, M. Ehara, K. Toyota, R. Fukuda, J. Hasegawa, M. Ishida, T. Nakajima, Y. Honda, O. Kitao, H. Nakai, M. Klene, X. Li, J.E. Knox, H.P. Hratchian, J.B. Cross, V. Bakken, C. Adamo, J. Jaramillo, R. Gomperts, R.E. Stratmann, O. Yazyev, A.J. Austin, R. Cammi, C. Pomelli, J.W. Ochterski, P.Y. Ayala, K. Morokuma, G.A. Voth, P. Salvador, J.J. Dannenberg, V.G. Zakrzewski, S. Dapprich, A.D. Daniels, M.C. Strain, O. Farkas, D.K. Malick, A.D. Rabuck, K. Raghavachari, J.B. Foresman, J.V. Ortiz, Q. Cui, A.G. Baboul, S. Clifford, J. Cioslowski, B.B. Stefanov, G. Liu, A. Liashenko, P. Piskorz, I. Komaromi, R.L. Martin, D.J. Fox, T. Keith, M.A. Al-Laham, C.Y. Peng, A. Nanayakkara, M. Challacombe, P.M.W. Gill, B. Johnson, W. Chen, M.W. Wong, C. Gonzalez, and J.A. Pople, Gaussian, Inc., Wallingford CT. Gaussian 03, Revision D.01.Frisch M.J., Trucks G.W., Schlegel H.B., Scuseria G.E., Robb M.A., Cheeseman J.R., Montgomery J.A., Jr., Vreven T., Kudin K.N., Burant J.C., Millam J.M., Iyengar S.S., Tomasi J., Barone V., Mennucci B., Cossi M., Scalmani G., Rega N., Petersson G.A., Nakatsuji H., Hada M., Ehara M., Toyota K., Fukuda R., Hasegawa J., Ishida M., Nakajima T., Honda Y., Kitao O., Nakai H., Klene M., Li X., Knox J.E., Hratchian H.P., J. B. Cross, Bakken V., Adamo C., Jaramillo J., Gomperts R., Stratmann R. E., Yazyev O., Austin A. J., Cammi R., Pomelli C., Ochterski J. W., Ayala P. Y., Morokuma K., Voth G. A., Salvador P., Dannenberg J. J., Zakrzewski V. G., Dapprich S., Daniels A. D., Strain M. C., Farkas O., Malick D. K., Rabuck A. D., Raghavachari K., Foresman J. B., Ortiz J. V., Cui Q., Baboul A. G., Clifford S., Cioslowski J., Stefanov B. B., Liu G., Liashenko A., Piskorz P., Komaromi I., Martin R. L., Fox D. J., Keith T., Al-Laham M. A., Peng C. Y., Nanayakkara A., Challacombe M., Gill P. M. W., Johnson B., Chen W., Wong M. W., Gonzalez C. and Pople J.A., Gaussian 03. Rev. D.01 Wallingford, CT: Gaussian Inc., 2004.Chemcraft – graphical software for visualization of quantum chemistry computations.Chemcraft – graphical software for visualization of quantum chemistry computations; https://www.chemcraftprog.comS.K. Ignatov. Moltran v.2.5 – Program for molecular visualization and thermodynamic calculations, University of Nizhny Novgorod, 2004.Ignatov S.K. Moltran v.2.5 – Program for molecular visualization and thermodynamic calculations. University of Nizhny Novgorod, 2004; http://www.qchem.unn.ru/moltranH. DeVoe. Thermodynamics and Chemistry. Second Edition. 2019. https://www2.chem.umd.edu/thermobook/v10-screen.pdfDeVoe.H. Thermodynamics and Chemistry. Second Edition. 2019; https://www2.chem.umd.edu/thermobook/v10-screen.pdfM.V. Kirov, G.S. Fanourgakis, and S.S. Xantheas, Chem. Phys. Lett. 461, 180 (2008). https://doi.org/10.1016/j.cplett.2008.04.079Kirov M.V., Fanourgakis G.S., Xantheas S.S. // Chem. Phys. Lett. 2008. V. 461. № 4–6. P. 180; doi: 10.1016/j.cplett.2008.04.079S.V. Gudkovskikh and M.V. Kirov, Chem. Phys. 572, 111947 (2023). https://doi.org/10.1016/j.chemphys.2023.111947Gudkovskikh S.V., Kirov M.V. // Chem. Phys. 2023. V. 572. P. 111947; doi: 10.1016/j.chemphys.2023.111947S.S. Xantheas, Chem. Phys. 258, 225 (2000). https://doi.org/10.1016/S0301-0104(00)00189-0Xantheas S.S. // Chem. Phys. 2000. V. 258. № 2–3. P. 225; doi: 10.1016/S0301-0104(00)00189-0