甲醇水混合溶液的配位數研究

【摘 要】本文采用不同水模型研究甲醇水溶液的配位數，通過研究發現，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-甲醇體系的配位數隨甲醇質量分數的增加急劇下降。

【關鍵詞】水模型；甲醇；配位數

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

在親水團和疏水團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雜體系具有的動力學特性。一個恰當的水模型應該是能足夠完整的描述水在特定的熱力學條件下的性質，更應該能描述出水團簇及復雜相的情況。為了更好的實現計算機模擬[1]，對水模型的開發已經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。

1.勢能模型及方法

在醇水溶液相互作用的研究中已經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（液體模擬的優化模型[2]）研究甲醇、水性質所得結果較為理想。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）。

模擬盒子大小由實驗密度確定，位能截斷采用球形截去法，截斷半徑為半個盒子的邊長。 截斷距離之外的粒子間相互作用能采用長程校正法進行校正，長程靜電相互作用力采用Ewald加和法計算。采用SHAKE算法固定甲醇分子的幾何構形，用5階Gear預測-校正法求解體系的運動方程。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使體系達到平衡，后100ps用于統計計算各種性質。

2.結果與討論

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

圖1給出甲醇質量分數為50%時，TIP3P-甲醇、TIP4P-甲醇、TIP5P-甲醇的配位數曲線圖，圖2給出了，TIP3P-甲醇、TIP4P-甲醇、TIP5P-甲醇的配位數隨甲醇濃度變化的曲線，分析圖2，發現TIP4P-甲醇、TIP5P-甲醇的配位數隨甲醇濃度的變化具有相似的變化趨向， TIP3P-甲醇第一溶劑圈內的配位數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.結論

基于以上的計算分析，我們得到以下結論：通過對采用不同水模型的醇水混合溶液的配位數研究，發現采用三個水模型（TIP3P）構成的甲醇水混合溶液第一溶劑圈內的配位數都隨著甲醇濃度的增加而急劇下降，TIP4P-甲醇與TIP5P-甲醇體系的配位數隨甲醇質量分數增加具有相似變化趨勢，且與TIP3P相比緩慢下降。

圖1 甲醇質量分數為50%時，TIP3P-甲醇、TIP4P-甲醇、TIP5P-甲醇的配位數

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

圖2 TIP3P-甲醇、TIP4P-甲醇、TIP5P-甲醇第一溶劑圈內的配位數隨甲醇質量分數的變化

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

【參考文獻】

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