Ученые получили фундаментальные данные о 90 соединениях серебра — Naked Science
14 минут
ФизТех

Ученые получили фундаментальные данные о 90 соединениях серебра

4.5

Исследователи из Московского физико-технического института совместно с коллегами предложили эффективную методику для определения фундаментальных данных, необходимых для понимания химии и физики процессов с участием веществ в газовой фазе.

©Wikipedia

Ученые из Московского физико-технического института совместно с коллегами из Института физической химии и электрохимии имени А. Н. Фрумкина РАН, Ивановского государственного химико-технологический университета и Университета науки и техники имени Короля Абдаллы, (Саудовская Аравия) предложили эффективную методику определения фундаментальных данных, необходимых для понимания химии и физики процессов с участием веществ в газовой фазе.

Предложенная ими численная модель позволяет определить тепловой эффект реакции образования соединений серебра в газообразном состоянии и их абсолютную энтропию. Для более чем 90 соединений, значения получены впервые.

Учитывая, что соединения серебра широко применяются в разных сферах нашей жизни — с их помощью можно обеззараживать воду и раны, делать фотографии или заставить облака пролиться дождем в нужное время в нужном месте, полученные данные будут иметь большое значение для прикладного применения. Работа опубликована в журнале Inorganic Chemistry.

Для исследователей очень важно знать точные значения энтальпии образования и энтропии вещества. Энтальпия системы (от греческого enthalpo – нагреваю) – это способ описать состояние системы через энергию ее частиц, давление и объем. Если давление в системе постоянно, то согласно закону Гесса разность энтальпий образования продуктов и реагентов, умноженных на стехиометрические коэффициенты, равна количеству тепла, которое выделится или поглотится в ходе реакции.

Энтропия — мера упорядоченности системы, чем она выше, тем менее система упорядочена. Согласно второму закону термодинамики, система может самопроизвольно переходить из более упорядоченного состояния в менее, то есть энтропия должна возрастать. Зная изменения значений энтальпии и энтропии, можно предсказать будет ли при данных условиях происходить реакция.

Можно объяснить, как будет меняться выход продуктов реакции и их соотношение (селективность) при изменении температуры или давлении, определить оптимальное соотношение компонентов. В результате исследователи способны прогнозировать, как будут протекать различные химические процессы в газовой фазе.

Кроме того, осаждая из газовой фазы в твердую, получают очень чистые вещества без молекул растворителя или тонкие пленки с заранее прогнозируемыми свойствами, что широко применяется, например, в электронике. Чтобы управлять процессами их получения, также необходимо знать энтальпию и энтропию.

Для того, чтобы определить изменение энтальпии и энтропии, можно либо провести сложные и дорогостоящие измерения, либо, опираясь на данные из справочников, сделать несколько арифметических действий согласно закону Гесса.

Юрий Миненков, старший научный сотрудник лаборатории суперкомпьютерных методов в физике конденсированного состояния МФТИ: «Казалось бы, выбор очевиден, особенно с учетом того, что определить теплоты некоторых реакций при помощи эксперимента невозможно.

Например, при неполном сгорании графита всегда будет образовываться не только угарный газ (CO), но и углекислый, CO2, и это значит, что даже измерив тепловой эффект реакции, мы не сможем определить энтальпию образования CO. Но тут возникают несколько проблем. Во-первых, не для всех веществ энтальпии образования и энтропии известны. Во-вторых, даже если данные есть, никто не гарантирует их точность, более того, они могут существенно различаться в разных справочниках или быть измеренными с большими погрешностями».

Здесь на помощь приходит квантовая химия. Каждую молекулу, из которых состоит интересующее нас газообразное вещество, можно представить как систему положительно заряженных ядер и электронов. Затем исследователи, применяя методы расчета электронной структуры, решают для нее молекулярное уравнение Шредингера.

Решив уравнение, мы получаем полную электронную энергию молекулы, ее волновую функцию и пространственное положение ядер, то есть геометрическое строение молекулы. Далее, рассчитывают энтальпию и энтропию идеального газа из таких молекул, то есть переходят от микро- к макро свойствам.

Полученная таким образом энтропия может быть внесена в справочники и использована в термодинамических расчетах. С энтальпией все немного сложнее – это еще не фундаментальная величина, и сильно зависит от выбранного метода расчета уравнения Шредингера.

Ученые получили фундаментальные данные о 90 соединениях серебра
Рисунок 1. Упрощенная схема для расчета энтальпий образования соединений серебра / ©Пресс-служба МФТИ

Как правило, для расчета энтальпий образования используются реакции атомизации – в ходе реакции интересующее нас вещество распадается на атомы, например, сульфид серебра на серебро и серу. Так как энтальпии образования атомарных веществ хорошо известны и есть в справочниках, мы можем получить энтальпию образования исходного вещества, то есть Ag2S, вычислив изменение энтальпии реакции упомянутыми методами квантовой химии.

Однако при атомизации многоатомных молекул происходят слишком серьезные изменения электронной структуры, сопровождаемые большим изменением энтальпии, которые доступные на сегодня методы теоретической химии не способны описать с требуемой точностью.

В этой работе и ряде предыдущих исследований ученые предложили методологию, позволяющую повысить точность вычислений термодинамических характеристик неорганических и органических соединений. Теплоту образования того же сульфида серебра исследователи находили из его реакции с соляной кислотой, дающей в результате хлорид серебра и сероводород (рисунок 2).

Ученые получили фундаментальные данные о 90 соединениях серебра
Рисунок 2. Схема химической реакции сульфида серебра и соляной кислоты / ©Пресс-служба МФТИ

В этой реакции количество связей слева и справа не изменяется, и изменение энергии вычисляется с наименьшей погрешностью. Теплоты образования хлорида серебра, сероводорода и соляной кислоты известны с высокой точностью, тепловой эффект реакции вычисляется с помощью компьютерного моделирования. Таким образом, из этих данных по закону Гесса можно вычислить теплоту образования сульфида серебра.

Юрий Миненков, PhD, старший научный сотрудник лаборатории суперкомпьютерных методов в физике конденсированного состояния: «Классический метод связанных кластеров, CCSD(T), используемый для решения электронного уравнения Шредингера и являющийся «золотым стандартом» современный квантовой химии, был нами заменен на его локальную версию, DLPNO-CCSD(T), относительно недавно разработанную учеными из института Макса Планка.

Это позволило на порядок уменьшить необходимые вычислительные ресурсы. Время работы для канонического CCSD(T) зависит от размера системы N как N7, что не позволяло проводить расчеты для больших молекул. Локальная версия гораздо менее ресурсоемкая».

Первоначально исследователи проверили, насколько результаты, полученные с помощью квантово-химических расчетов соответствуют экспериментальным термодинамическим и структурным данным. В справочниках нашлась информация для десяти веществ, в состав которых входит серебро, и числа с хорошей точностью совпали с расчетными.

Убедившись в адекватности построенной модели, ученые вычислили значения термодинамических функций для 90 соединений серебра, данные по которым отсутствовали. Полученная информация может быть использована как учеными, работающими в области химии серебра, так и для параметризации и тестирования новых методов электронной структуры.

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl + Enter.
ФизТех
212 статей
Московский физико-технический институт (национальный исследовательский университет), известен также как Физтех — ведущий российский вуз по подготовке специалистов в области теоретической, экспериментальной и прикладной физики, математики, информатики, химии, биологии и смежных дисциплин. Расположен в городе Долгопрудном Московской области, отдельные корпуса и факультеты находятся в Жуковском и в Москве.
Позавчера, 21:25
10 минут
Василий Парфенов

Даже при разработке точнейших научных инструментов случаются разные технические сюрпризы — и хорошо, если приятные. К счастью, именно так вышло на этот раз. Ученые получили очередную порцию данных с космического аппарата Parker Solar Probe и здорово удивились. На сделанном в оптическом диапазоне снимке ночной стороны Венеры видны детали поверхности, обычно скрытые плотными облаками. Теперь предстоит решить загадку: либо камера оказалась чувствительна к инфракрасному диапазону излучения, либо случайно обнаружилось «окно» для наблюдений через атмосферу этой планеты.

Позавчера, 19:01
8 минут
Мария Азарова

Математическое моделирование позволило подсчитать, что большинство случаев тяжелого течения коронавирусного заболевания и госпитализаций по этой причине в США оказались связаны с одним из четырех кардиометаболических нарушений, а главным образом — с ожирением.

4 часа назад
75 минут
Редакция

Наверное, еще с того момента, как первые наши прапрапредки обрели сознание, человек боялся смерти и искал пути ее предотвратить или отсрочить. Древний человек жаждал утешения в представлениях о загробном мире, позже алхимики пытались изобрести зелья, которые помогли бы достичь бессмертия. С развитием науки ученые стремились понять, как работает наша смертность на клеточном уровне и еще глубже – и можно ли серьезно изменить отмеренный человеку век. Именно о теломерах часто говорят как о некоем секрете долголетия, том самом волшебном рычаге в ДНК, который может прибавить один-два десятка лет к нашей жизни. Так ли это?

Позавчера, 21:25
10 минут
Василий Парфенов

Даже при разработке точнейших научных инструментов случаются разные технические сюрпризы — и хорошо, если приятные. К счастью, именно так вышло на этот раз. Ученые получили очередную порцию данных с космического аппарата Parker Solar Probe и здорово удивились. На сделанном в оптическом диапазоне снимке ночной стороны Венеры видны детали поверхности, обычно скрытые плотными облаками. Теперь предстоит решить загадку: либо камера оказалась чувствительна к инфракрасному диапазону излучения, либо случайно обнаружилось «окно» для наблюдений через атмосферу этой планеты.

Позавчера, 19:01
8 минут
Мария Азарова

Математическое моделирование позволило подсчитать, что большинство случаев тяжелого течения коронавирусного заболевания и госпитализаций по этой причине в США оказались связаны с одним из четырех кардиометаболических нарушений, а главным образом — с ожирением.

4 часа назад
75 минут
Редакция

Наверное, еще с того момента, как первые наши прапрапредки обрели сознание, человек боялся смерти и искал пути ее предотвратить или отсрочить. Древний человек жаждал утешения в представлениях о загробном мире, позже алхимики пытались изобрести зелья, которые помогли бы достичь бессмертия. С развитием науки ученые стремились понять, как работает наша смертность на клеточном уровне и еще глубже – и можно ли серьезно изменить отмеренный человеку век. Именно о теломерах часто говорят как о некоем секрете долголетия, том самом волшебном рычаге в ДНК, который может прибавить один-два десятка лет к нашей жизни. Так ли это?

21 февраля
20 минут
Василий Парфенов

Кого и что только ни успели уже обвинить в технологической катастрофе, которая произошла на этой неделе в США. Но эмоции плавно оседают, и начинают появляться первые результаты разбирательства. А они порой вызывают искреннее недоумение, честно говоря.

2 февраля
44 минуты
Александр Березин

В научном журнале The Lancet появились итоги клинических испытаний «Спутника-V», и на первый взгляд эта публикация — триумф. Российская вакцина показала эффективность выше, чем у Pfizer и Moderna. Увы, на этом хорошие новости закончились. Плохих две.

Позавчера, 21:25
10 минут
Василий Парфенов

Даже при разработке точнейших научных инструментов случаются разные технические сюрпризы — и хорошо, если приятные. К счастью, именно так вышло на этот раз. Ученые получили очередную порцию данных с космического аппарата Parker Solar Probe и здорово удивились. На сделанном в оптическом диапазоне снимке ночной стороны Венеры видны детали поверхности, обычно скрытые плотными облаками. Теперь предстоит решить загадку: либо камера оказалась чувствительна к инфракрасному диапазону излучения, либо случайно обнаружилось «окно» для наблюдений через атмосферу этой планеты.

[miniorange_social_login]

Комментарии

Написать комментарий

Подтвердить?
Лучшие материалы
Войти
Регистрируясь, вы соглашаетесь с правилами использования сайта и даете согласие на обработку персональных данных.

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: