水性质分子动力学模拟的研究.pdfVIP

第30卷第5期 武夷学院学报 V01．30N0．5 2011年 10月 JOURNALOFWUYIUNIVERSITY 0CT．2011 水性质的分子动力学模拟研究 吴方棣 郑辉东2 吴燕翔2 (1．武夷学院 环境与建筑工程系，福建 武夷山 354300；2．福州大学 化学化工学院，福建 福州 350108) 摘 要 ：本文采用SPC／E水模型对水的性质进行了分子动力学模拟研究。结果表明，与常态及亚临界状态下相比，超临 界下水的密度随温度压力的变化更为显著，这是超临界水具有较高溶解能力的重要原因；且在超临界下其 自扩散系数明 显增大，表明在超临界下水有着更高的扩散能力。在常态下水分子主要形成了二至四个氢键的结构，占了7O％以上；随着 温度的升高，每个水分子平均形成的氢键数减少。水表面张力模拟值与实验值相 比偏小，其原因是未考虑氢键等因素对 表面张力的影响。 关键词：水；密度；扩散系数；氢键度；表面张力；分子动力学模拟 中图分类号：Q7 文献标识码：A 文章编号：1674—2109(2011)o5—0061—06 性质也进行了较为深入的研究。本文采用分子动力学 1 引言 模拟方法，对不同条件(从常态至超临界状态)下水的 密度、自扩散系数、氢键数 以及表面张力做了较为全 分子动力学M(olecularDynamic，简称MD)是研究 面的模拟研究。 在某一条件下分子体系的各种性质随时问变化，它是 以特定粒子(如原子、分子等)为基本研究对象，将系统 2 模拟方法 看作具有一定特征的粒子集合，运用经典力学和统计 力学方法，通过研究微观分子的运动规律，得到体系 2．1 势能模型选择 的宏观特性和基本规律f】1。分子动力学模拟作为一种 现常用的水的势能模型有SPC、SPC／E、TIP4P等， 理想的计算机实验方法，随着计算机技术的发展，近 其分子结构及势能参数如表 1，其中A、B为LJ参数a 年来其广泛应用于化学化工、生命科学、医学、力学及 表 1水模型参数表 材料科学等各个领域 。 Table1Theparametersofdifferentwatermodel 物质物性数据 的获得通常有实验测定、模型计算 以及近年来迅速发展起来的计算机模拟等方法。分子 动力学模拟不仅可以获得物质的平衡性质，还可以获 得物质的传递性质如：扩散系数等。水是我们 日常生 活中不可缺少的物质，它在化工生产过程中被广泛用 作溶剂、冷却剂、萃取剂等。因此近年来广大学者对其 收稿 日期 ：2011-09-07 作者简介 ：吴方棣 (1985一)，男 ，汉族 ，助教，硕士，主要研 究方向：传质与分离。 · 62· 武夷学院学报2011年第5期 为了选择更为适合的水模型，我们分别计算了 相对误差不超过±1O％，其精度基本能够达到工程设 25 、latni下这三种模型的密度和扩散系数，结果如 计计算的要求。比较文献值与模拟值可以看出．模拟 表 2所示。 的密度总体趋势 比文献值要偏小。从表 3数据还可以 表 2在25oC、1arm下不同水模型的密度及 看出，在常态和亚临界状态下，温度是影响密度的主 扩散系数的模拟值 要因素，而压力对密度 的影响较小；在超临界条件下， T。ble2Thesimulativedensityanddiffusioncoemc