Autoionization in Liquid Water

自电离 离解(化学) 化学物理 离子 化学 溶剂化 亚稳态 氢键 原子物理学 分子 分子动力学 计算化学 电离 物理化学 物理 光离子化 有机化学
作者
Phillip L. Geissler,Christoph Dellago,David Chandler,Jürg Hutter,Michele Parrinello
出处
期刊:Science [American Association for the Advancement of Science]
卷期号:291 (5511): 2121-2124 被引量:781
标识
DOI:10.1126/science.1056991
摘要

The dissociation of a water molecule in liquid water is the fundamental event in acid-base chemistry, determining the pH of water. Because of the short time scales and microscopic length scales involved, the dynamics of this autoionization have not been directly probed by experiment. Here, the autoionization mechanism is revealed by sampling and analyzing ab initio molecular dynamics trajectories. We identify the rare fluctuations in solvation energies that destabilize an oxygen-hydrogen bond. Through the transfer of protons along a hydrogen bond "wire," the nascent ions separate by three or more neighbors. If the hydrogen bond wire connecting the two ions is subsequently broken, a metastable charge-separated state is visited. The ions may then diffuse to large separations. If, however, the hydrogen bond wire remains unbroken, the ions recombine rapidly. Because of their concomitant large electric fields, the transient ionic species produced in this case may provide an experimentally detectable signal of the dynamics we report.

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