Interaction of SO2 with the Surface of a Water Nanodroplet

溶剂化 化学 化学物理 分子动力学 气相 氢键 密度泛函理论 分子 地表水 计算化学 气溶胶 物理化学 有机化学 环境工程 工程类
作者
Jie Zhong,Chongqin Zhu,Lei Li,Geraldine L. Richmond,Joseph S. Francisco,Xiao Cheng Zeng
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:139 (47): 17168-17174 被引量:67
标识
DOI:10.1021/jacs.7b09900
摘要

We present a comprehensive computational study of interaction of a SO2 with water molecules in the gas phase and with the surface of various sized water nanodroplets to investigate the solvation behavior of SO2 in different atmospheric environments. Born-Oppenheimer molecular dynamics (BOMD) simulation shows that, in the gas phase and at a temperature of 300 K, the dominant interaction between SO2 and H2O is (SO2)S···O(H2O), consistent with previous density-functional theory (DFT) computation at 0 K. However, at the surface of a water nanodroplet, BOMD simulation shows that the hydrogen-bonding interaction of (SO2)O···H(H2O) becomes increasingly important with the increase of droplet size, reflecting a marked effect of the water surface on the SO2 solvation. This conclusion is in good accordance with spectroscopy evidence obtained previously (J. Am. Chem. Soc. 2005, 127, 16806; J. Am. Chem. Soc. 2006, 128, 3256). The prevailing interaction (SO2)O···H(H2O) on a large droplet is mainly due to favorable exposure of H atoms of H2O at the air-water interface. Indeed, the conversion of the dominant interaction in the gas phase (SO2)S···O(H2O) to the dominant interaction on the water nanodroplet (SO2)O···H(H2O) may incur effects on the SO2 chemistry in atmospheric aerosols because the solvation of SO2 at the water surface can affect the reactive sites and electrophilicity of SO2. Hence, the solvation of SO2 on the aerosol surface may have new implications when studying SO2 chemistry in the aerosol-containing troposphere.
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