Введение к работе
Актуальность проблемы. В настоящее время нет однозначного толкования процессов, происходящих в жидкостях на молекулярном уровне. Экспериментальные методы исследования дают только интегральные характеристики, являющиеся усреднением по всему статистическому ансамблю, причем связь их с микроструктурными характеристиками не всегда однозначна Возможности теоретических методов ограничены сложностью строения молекул и вида потенциалов межчастичных взаимодействий в жидкостях.
Появление современной быстродействующей вычислительной техники позволило проводить моделирование структуры жидкости путем непосредственного численного решения уравнений движения (метод молекулярной динамики) или путем статистических испытаний (метод Монте-Карло). Эти методы могут иметь свои (чисто технические) ограничения на сложность модели, но они несравненно менее жесткие, чем в теоретических методах. Их применение не требует сведений о структуре жидкости. Проводя компьютерный эксперимент, можно варьировать внешние условия, моделировать разные типы взаимодействий между молекулами, изучать зависимость макроскопических и микроскопических свойств растворов от их молекулярной структуры. В связи с этим, проведение компьютерного моделирования представляется важным для правильной интерпретации результатов экспериментов, проверки адекватности теоретических моделей, получения новой информации о структуре жидкостей.
При построении гамильтониана потенциальная энергия двух вза-нмодействующих молекул обычно записывается как совокупность вкладов от вандерваальсовых и электростатических взаимодействий выделенных центров. В связи с этим возникает задача исследования зависимости структурных, термодинамических свойств жидкостей от каждой из этих составляющих. Можно поставить вопрос о том, что прежде всего определяет строение жидкости - форма молекулы (опалкивательная часть потенциала) или сильные направленные межмолекулярные притягивательные взаимодействия? Естественно, что в каждом конкретном случае ответ будет разным. Известно множество жидкостей с различной степенью выраженности специфических взаимодействий (вода, спирты, амиды), молекулы которых имеют достаточно простое строение и являются удобным объектом для компьютерного моделирования. Однако, несмотря на многочисленные исследования экспериментальными и теоретическими методами, в настоящее время не существует однозначной законченной картины строения даже простых жидкостей. Среди бинарных растворов, смеси вода-органический растворитель вызывают значительный интерес как на уровне их весьма необычных макроскопических физико-химических, термодинами-
ческих свойств, так и с точки зрения структурных преобразовании, происходящих при изменении состава смеси.
Настоящая работа представляет собой часть исследований по теме "Термодинамика и строение растворов" (утверждена 4.02.91г.), выполненной в соответствии с одним из основных научных направлений Ивановской государственной химико-технологической академии.
Цель работы состояла в изучении влияния специфических и универсальных взаимодействий на структуру жидкостей с различной степенью выраженности специфических взаимодействий (метанол, диметилформа-мид), определении структурных и энергетических характеристик растворов частиц (Хе, Cs+, Г) в этих жидкостях, а также в исследовании водно-неэлектролитных растворов (вода-метанол, вода-ДМФ) с помощью метода Монте-Карло.
В связи с этим определились основные задачи настоящего исследования:
-выявить степень влияния упаковочных факторов на пространственное расположение атомов метанола (потенциал Haughney) и ди-метилформамида (потенциал OPLS) путем сравнения надмолекулярных структурных характеристик этих жидкостей с соответствующими характеристиками модельных жидкостей с упрощенным видом потенциала взаимодействий и структуры молекулы; - изучить влияние незаряженных и заряженных частиц на структурные и
энергетические характеристики метанола и дашетилформамида; -проследить за изменениями структурных, топологических и энергетических характеристик сеток связей смесей воды с метанолом и ди-метилформамидом, происходящими при повышении содержания неэлектролита в растворах.
Научная новизна В работе проведено изучение структуры чистых жидкостей (метанол, димстилформамид), их смесей с водой, а также исследование процесса сольватации частиц (Хе, Cs+, Г) в этих жидкостях с применением новых методов анализа молекулярных конфигураций, позволяющих получать сведения как о локальной пространственной структуре, так и закономерностях надмолекулярной организации жидкости. К ним относятся методы анализа взаимных ориентации молекул, кластерный анализ конфигураций, методы определения топологических свойств систем Н-связей, сеток, построенных из линий, соединяющих ближайшие друг к другу атомы. Проведено сопоставление структурных характеристик как в ряду жидкостей с различной степенью выраженности специфических взаимодействий, так и в ряду моделей, полученных путем искусственного изменения исходного гамильтониана - выключением электростатических взаимодействий, упрощения структуры молекулы. Задача исследования влияния универсальных и специфических взаимодействий на структурные
характеристики посредством сравнительного комплексного анализа различных классов жидкостей, в предложенном аспекте ранее не ставилась.
Практическая значимость. Разработан комплекс программ для компьютерного моделирования и исследования структурных, топологических, энергетических характеристик чистых жидкостей, растворов частиц в них, а также структуры смесей вода-органический неэлектролит. Предложена методика изучения надмолекулярной структуры жидкости путем построения циклов и анализа функций их распределения. Разработанные и примененные в работе новые методы анализа молекулярных конфигураций позволяют получать наглядную картину строения жидкостей, объяснять механизм процессов, происходящих на молекулярном уровне. Полученная информация о структуре исследованных жидкостей представляет также интерес и для теории жидкого состояния.
Апробация работы. Результаты работы были представлены на VI Международной конференции "Проблемы сольватации и комплексооб-разования в растворах" (Иваново, 1995), Научно-технической конференции преподавателей и сотрудников ИГХТА (Иваново, 1995), Международной конференции "Теория и практика процессов сольватации и ком-плексообразования в смешанных растворителях'' (Красноярск, 1996), I региональной межвузовской конференции "Актуальные проблемы химии, химической технологии и химического образования" (Иваново, 1996), I Международной научно-технической конференции "Актуальные проблемы химии и химической технологии" (Иваново, 1997).
По теме диссертации опубликовано 3 статьи и 8 тезисов.
Структура диссертации. Работа состоит из введения, пяти глав, итогов работы, списка цитируемой литературы из 195 наименований, содержит 53 рисунка, 20 таблиц.