Journal of the Korean Chemical Society (대한화학회지)

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Theoretical Investigation for the Structures and Binding Energies of H2O3 and Water (H2O) Clusters

H2O3과 물(H2O) 클러스터들의 분자구조와 열역학적 안정성에 대한 이론적 연구

  • 서현일 (한남대학교 생명나노과학대학 화학과) ;
  • 김종민 (한남대학교 생명나노과학대학 화학과) ;
  • 송희성 (한남대학교 생명나노과학대학 화학과) ;
  • 김승준 (한남대학교 생명나노과학대학 화학과)
  • Received : 2017.08.18
  • Accepted : 2017.09.22
  • Published : 2017.12.20
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Abstract

The density functional theory(DFT) and ab initio calculations have been applied to investigate hydrogen interaction of $H_2O_3(H_2O)_n$ clusters(n=1-5). The structures, IR spectra, and H-bonding energies are calculated at various levels of theory. The $trans-H_2O_3$ monomer is predicted to be thermodynamically more stable than cis form at the CCSD(T)/cc-pVTZ level of theory. For clusters, the geometries are optimized at the MP2/cc-pVTZ level of theory. The binding energy of $H_2O_3-H_2O$ cluster is predicted to be -6.39 kcal/mol at the CCSD(T)//MP2/cc-pVTZ level of theory after zero-point vibrational energy (ZPVE) and basis set superposition error (BSSE) correction. This result implies that $H_2O_3$ is a stronger proton donor(acid) than either $H_2O$ or $H_2O_2$. The average binding energies per $H_2O$ are predicted to be 8.25 kcal/mol for n=2, 7.22 kcal/mol for n=3, 8.50 kcal/mol for n=4, and 8.16 kcal/mol for n=5.

$H_2O_3(H_2O)_n$ (n=1-5) 클러스터들에 대해서 밀도 범함수 이론(DFT)과 순 이론(ab initio) 방법을 cc-pVD(T)Z 바탕집합(basis set)과 함께 사용하여 가능한 여러 구조를 최적화하고 결합에너지와 조화진동수를 계산하였다. $H_2O_3$ 단량체의 경우 CCSD(T)/ccp-VTZ 이론 수준에서 트랜스(trans) 구조가 시스(cis) 구조보다 더 안정한 것으로 계산되었다. 클러스터에 대해서는 MP2/cc-pVTZ 수준까지 분자 구조를 최적화하고 열역학적으로 가장 안정한 분자구조를 예측하였다. 클러스터의 결합에너지는 CCSD(T)//MP2 수준에서 영점 진동에너지(ZPVE)와 바탕집합 중첩에러(BSSE)를 모두 보정한 후 n=1일 때 -6.39 kcal/mol 계산 되었으며 이 같은 결과는 $H_2O$와 $H_2O_2$의 물 클러스터 보다 더 좋은 수소 주게 즉 산(acid)으로서 작용할 것으로 기대된다. 물 분자 1개 당 평균 결합에너지는 n=2의 경우 8.25 kcal/mol, n=3일 때 7.22 kcal/mol, n=4의 경우 8.50 kcal/mol 그리고 n=5의 경우 8.16 kcal/mol로 계산되었다.

Keywords

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