Calculation of the aqueous solvation free energy of the proton

溶剂化 化学 水溶液 溶剂化壳 质子化 电介质 离子 吉布斯自由能 质子 物理化学 计算化学 溶剂 分子 热力学 物理 有机化学 量子力学
作者
Gregory J. Tawa,Igor A. Topol,S. K. Burt,R. A. CALDWELL,A. A. Rashin
出处
期刊:Journal of Chemical Physics [American Institute of Physics]
卷期号:109 (12): 4852-4863 被引量:311
标识
DOI:10.1063/1.477096
摘要

The value of the proton hydration free energy, ΔGhyd(H+), has been quoted in the literature to be from −252.6 to −262.5 kcal/mol. In this article, we present a theoretical model for calculating the hydration free energy of ions in aqueous solvent and use this model to calculate the proton hydration free energy, ΔGhyd(H+), in an effort to resolve the uncertainty concerning its exact value. In the model we define ΔGhyd(H+) as the free energy change associated with the following process: ΔG[H+(gas)+H2nOn(aq)→H+(H2nOn)(aq)], where the solvent is represented by a neutral n-water cluster embedded in a dielectric continuum and the solvated proton is represented by a protonated n-water cluster also in the continuum. All solvated species are treated as quantum mechanical solutes coupled to a dielectric continuum using a self consistent reaction field cycle. We investigated the behavior of ΔGhyd(H+) as the number of explicit waters of hydration is increased from n=1 to n=6. As n increases from 1 to 3, the hydration free energy decreases dramatically. However, for n=4–6 the hydration free energy maintains a relatively constant value of −262.23 kcal/mol. These results indicate that the first hydration shell of the proton is composed of at least four water molecules. The constant value of the hydration free energy for n⩾4 strongly suggests that the proton hydration free energy is at the far lower end of the range of values that have been proposed in the literature.
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