Tato diplomova ´ pra ´ce se ve nuje studiu mikroskopicke ´ struktury vybrany ´ch vodny ´ch roz- toku elektrolytu pomoc?´molekula ´rn?´chsimulac?´. Jsou vypoc teny rozpustnostizkoumany ´ch modelu a provedena analy ´za struktury pro stabiln?´ i presycene ´ roztoky pomoc?´metod poc ?´- tac ove ´ fyziky (radia ´ln?´ distribuc n?´ funkce, prostorove ´ distribuc n?´ funkce, klastrova ´ analy ´za, poc ty iontovy ´ch pa ´ru ). Da ´le je studova ´na platnost neda ´vno navrz ene ´ho empiricke ´ho pra- vidla [1] pro pribliz ny ´ odhad rozpustnosti na za ´klade poc tu iontovy ´ch pa ´ru v roztoku. Jsou diskutova ´ny strukturn?´ zme ny mezi stabiln?´m a presyceny ´m roztokem pro vy ´skyt iontu v okol?´ molekul vody, tvorbu iontovy ´ch pa ´ru a vy ´skyt sraz eniny v roztoku pro ru zne ´ modely sol?´ NaCl, NaF, KCl a NaI.
Anotace v angličtině
This master thesis studies microscopic structure of aqueous electrolyte solutions using molecular simulations. Solubility of studied models is calculated. Structure analysis is performed for both stable and supersaturated solutions using methods of computer physics (radial distribution function, spacial distribution function, cluster analysis, amount of ion pairs). This work also examines recently proposed empirical rule [1] for number of con- tact ion pairs in solution for concentrations equal to solubility of the solution. Structural changes between stable and supersaturated solution are discused for ion clustering around water molecules, ion pairing in solution and presence of precipitate in solution at high concentrations for various models of NaCl, NaF, KCl and NaI.
Klíčová slova
Mikroskopicka ´ struktura; Roztok; Elektrolyty; Rozpustnost; Molekula ´rn?´ ova simulace; Strukturn?´ analy ´za
Tato diplomova ´ pra ´ce se ve nuje studiu mikroskopicke ´ struktury vybrany ´ch vodny ´ch roz- toku elektrolytu pomoc?´molekula ´rn?´chsimulac?´. Jsou vypoc teny rozpustnostizkoumany ´ch modelu a provedena analy ´za struktury pro stabiln?´ i presycene ´ roztoky pomoc?´metod poc ?´- tac ove ´ fyziky (radia ´ln?´ distribuc n?´ funkce, prostorove ´ distribuc n?´ funkce, klastrova ´ analy ´za, poc ty iontovy ´ch pa ´ru ). Da ´le je studova ´na platnost neda ´vno navrz ene ´ho empiricke ´ho pra- vidla [1] pro pribliz ny ´ odhad rozpustnosti na za ´klade poc tu iontovy ´ch pa ´ru v roztoku. Jsou diskutova ´ny strukturn?´ zme ny mezi stabiln?´m a presyceny ´m roztokem pro vy ´skyt iontu v okol?´ molekul vody, tvorbu iontovy ´ch pa ´ru a vy ´skyt sraz eniny v roztoku pro ru zne ´ modely sol?´ NaCl, NaF, KCl a NaI.
Anotace v angličtině
This master thesis studies microscopic structure of aqueous electrolyte solutions using molecular simulations. Solubility of studied models is calculated. Structure analysis is performed for both stable and supersaturated solutions using methods of computer physics (radial distribution function, spacial distribution function, cluster analysis, amount of ion pairs). This work also examines recently proposed empirical rule [1] for number of con- tact ion pairs in solution for concentrations equal to solubility of the solution. Structural changes between stable and supersaturated solution are discused for ion clustering around water molecules, ion pairing in solution and presence of precipitate in solution at high concentrations for various models of NaCl, NaF, KCl and NaI.
Klíčová slova
Mikroskopicka ´ struktura; Roztok; Elektrolyty; Rozpustnost; Molekula ´rn?´ ova simulace; Strukturn?´ analy ´za
1) Seznámit se s funkcemi simulačního balíku GROMACS nebo napsat vlastní program pro simulace vodných roztoků elektrolytů;
2) Seznámit se simulačními metodami pro výpočet vlastností krystalů elektrolytů, pro výpočet jejich rozpustností a příslušnými simulačními programy;
2) Seznámit se s různými modely vodných roztoků elektrolytů halogenidů alkalických kovů;
3) Seznámit se s použitím výpočetních prostředků METACENTRA;
4) Vybrat vhodnou množinu zkoumaných elektrolytů a jejich modelů lišících se v hodnotách rozpustnosti a dalších vlastnostech iontů;
5) Pomocí simulací spočítat vlastnosti krystalů a rozpustností vybraných modelů elektrolytů;
6) Analyzovat strukturní vlastnosti vybraných roztoků při různých koncentracích;
7) Pokusit se nalézt rozdíly ve struktuře roztoků při koncentracích nižších a vyšších než je příslušná hodnota rozpustnosti.
Zásady pro vypracování
1) Seznámit se s funkcemi simulačního balíku GROMACS nebo napsat vlastní program pro simulace vodných roztoků elektrolytů;
2) Seznámit se simulačními metodami pro výpočet vlastností krystalů elektrolytů, pro výpočet jejich rozpustností a příslušnými simulačními programy;
2) Seznámit se s různými modely vodných roztoků elektrolytů halogenidů alkalických kovů;
3) Seznámit se s použitím výpočetních prostředků METACENTRA;
4) Vybrat vhodnou množinu zkoumaných elektrolytů a jejich modelů lišících se v hodnotách rozpustnosti a dalších vlastnostech iontů;
5) Pomocí simulací spočítat vlastnosti krystalů a rozpustností vybraných modelů elektrolytů;
6) Analyzovat strukturní vlastnosti vybraných roztoků při různých koncentracích;
7) Pokusit se nalézt rozdíly ve struktuře roztoků při koncentracích nižších a vyšších než je příslušná hodnota rozpustnosti.
Seznam doporučené literatury
1) D. Frenkel and B. Smit, Understanding Molecular Simulation. Orlando, FL, USA:
Academic Press, Inc., 2nd ed., 2001.
2) F. Moučka, I. Nezbeda, and W. R. Smith, "Molecular force fields for aqueous electrolytes: Spc/e-compatible charged lj sphere models and their limitations," The Journal of Chemical Physics, vol. 138, no. 15, p. 154102, 2013.
3) A. L. Benavides, J. L. Aragones, and C. Vega, "Consensus on the solubility of nacl in water from computer simulations using the chemical potential route," The Journal of Chemical Physics, vol. 144, no. 12, p. 124504, 2016.
4) F. Moučka, M. Lísal, J. Škvor, J. Jirsák, I. Nezbeda, and W. R. Smith, "Molecular
simulation of aqueous electrolyte solubility. 2. osmotic ensemble monte carlo me-
thodology for free energy and solubility calculations and application to nacl," The
Journal of Physical Chemistry B, vol. 115, no. 24, pp. 78497861, 2011.
Seznam doporučené literatury
1) D. Frenkel and B. Smit, Understanding Molecular Simulation. Orlando, FL, USA:
Academic Press, Inc., 2nd ed., 2001.
2) F. Moučka, I. Nezbeda, and W. R. Smith, "Molecular force fields for aqueous electrolytes: Spc/e-compatible charged lj sphere models and their limitations," The Journal of Chemical Physics, vol. 138, no. 15, p. 154102, 2013.
3) A. L. Benavides, J. L. Aragones, and C. Vega, "Consensus on the solubility of nacl in water from computer simulations using the chemical potential route," The Journal of Chemical Physics, vol. 144, no. 12, p. 124504, 2016.
4) F. Moučka, M. Lísal, J. Škvor, J. Jirsák, I. Nezbeda, and W. R. Smith, "Molecular
simulation of aqueous electrolyte solubility. 2. osmotic ensemble monte carlo me-
thodology for free energy and solubility calculations and application to nacl," The
Journal of Physical Chemistry B, vol. 115, no. 24, pp. 78497861, 2011.