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Second Hydration Shell of Mg2+: Competition between Ion–Water Interaction and Hydrogen Bonding Interaction
The Journal of Physical Chemistry Letters ( IF 4.8 ) Pub Date : 2024-12-17 , DOI: 10.1021/acs.jpclett.4c02771 Weiyu Li, Zhaoru Sun
The Journal of Physical Chemistry Letters ( IF 4.8 ) Pub Date : 2024-12-17 , DOI: 10.1021/acs.jpclett.4c02771 Weiyu Li, Zhaoru Sun
Hydration in Mg2+ solutions is critical in the chemical and biological industries. Researchers have identified a rigid first hydration shell, but the effects of ion–water and hydrogen bonding (HB) interactions beyond the first shell of Mg2+, especially when ion pairs form at high concentrations, remain controversial. On the basis of density functional theory, machine learning molecular dynamics was performed to study the second shell of Mg2+ in MgCl2 solutions at various concentrations. At low concentrations, while both SCAN and PBE+TS-vdW predict a rigid first shell, SCAN affords a more softened structure due to its weakened HB interaction. The weakened HB interaction reveals the retarding effect of Mg2+ on the water reorientation of the second shell. With an increasing concentration, SCAN reproduces the decreasing trend of the hydration number, which originates from Cl– entering the second shell of Mg2+. Our results highlight the importance of accurately described ion–water interaction and HB interaction in the intermediate range.
中文翻译:
Mg2+ 的第二水合壳层:离子-水相互作用和氢键相互作用之间的竞争
Mg2+ 溶液中的水合在化学和生物工业中至关重要。研究人员已经确定了刚性的第一水合壳层,但离子-水和氢键 (HB) 相互作用在 Mg2+ 的第一层之外的影响,尤其是当离子对以高浓度形成时,仍然存在争议。在密度泛函理论的基础上,进行机器学习分子动力学,研究不同浓度的 MgCl2 溶液中 Mg2+ 的第二层。在低浓度下,虽然 SCAN 和 PBE+TS-vdW 都预测刚性第一层,但由于 HB 相互作用减弱,SCAN 提供了更柔软的结构。减弱的 HB 相互作用揭示了 Mg2+ 对第二壳层水重新定向的延迟作用。随着浓度的增加,SCAN 再现了水合数的下降趋势,该趋势源自 Cl– 进入 Mg2+ 的第二个壳层。我们的结果强调了准确描述离子-水相互作用和中间范围内 HB 相互作用的重要性。
更新日期:2024-12-17
中文翻译:
Mg2+ 的第二水合壳层:离子-水相互作用和氢键相互作用之间的竞争
Mg2+ 溶液中的水合在化学和生物工业中至关重要。研究人员已经确定了刚性的第一水合壳层,但离子-水和氢键 (HB) 相互作用在 Mg2+ 的第一层之外的影响,尤其是当离子对以高浓度形成时,仍然存在争议。在密度泛函理论的基础上,进行机器学习分子动力学,研究不同浓度的 MgCl2 溶液中 Mg2+ 的第二层。在低浓度下,虽然 SCAN 和 PBE+TS-vdW 都预测刚性第一层,但由于 HB 相互作用减弱,SCAN 提供了更柔软的结构。减弱的 HB 相互作用揭示了 Mg2+ 对第二壳层水重新定向的延迟作用。随着浓度的增加,SCAN 再现了水合数的下降趋势,该趋势源自 Cl– 进入 Mg2+ 的第二个壳层。我们的结果强调了准确描述离子-水相互作用和中间范围内 HB 相互作用的重要性。