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Molecular Orbital Calculations of Water-Ice Surface Interactions*

Published online by Cambridge University Press:  30 January 2017

Patricia L. M. Plummer*
Affiliation:
Department of Physics and Graduate Center for Cloud Physics, University of Missouri-Rolla, Rolla, Missouri 65401, U.S.A.
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Abstract

Detailed knowledge of the energetics of the interaction of a water monomer with an ice surface is important in understanding the factors which control both the nucleation and the growth of ice. In this work we model this interaction by using a small section of an ice surface and semi-empirical quantum-mechanical calculations of the CNDO/INDO type to investigate the energetics of a gas-phase molecule approaching the surface. In the attempt to simplify the system as much as possible while retaining the essential features of the "real" physical situation, 13 water molecules arranged in the lattice positions for ice Ih were used to represent the surface. Electron-density plots for both basal and prism surfaces were generated. Potential-energy curves were calculated for a monomer approaching a number of different sites on each type of surface. Monomer-surface binding energies varied from approximately 17 to 33 kJ/mol for the surface sites examined. Ion pairs of the H30 +-OH- type were included in the surface and their effect on the energy of interaction with an incoming monomer calculated. For these studies no distortion of the ice surface was allowed. The energies found follow the same trends as observed for a free monomer-ion interaction.

Résumé

Résumé

La connaissance détaillée de l'aspect énergétique de l'interaction entre un monomère d'eau et une surface de glace est importante dans la compréhension des facteurs qui contrôlent àla fois la nucléation et la croissance de la glace. Dam ce travail, nous avons construit un modèle d'interaction en utilisant une petite section de la surface de glace et des calculs semi-empiriques de mécanique quantique du type CNDO/INDO utilisés pour calculer les caractéristiques énergétiques d'une molécule en phase gazeuse approchant la surface. De manière à simplifier le plus possible le système tout en retenant les facteurs essentiels de la situation physique "réelle", 13 molécules d'eau placées dans les positions du réseau de glace Ih sont utilisées pour représenter la surface. Des courbes de density électronique pour les plans de base et prismatiques ont été obtenus. Des courbes d'énergie potentielle ont été calculées pour un monomère approchant un nombre de sites différents sur chaque type de surface. Les énergies de liaison monomère-surface varient approximativement entre 17 et 33 kJ/mol pour les têtes dc surface étudiés. Des paires d'ions de type OH--H3O+ ont été inclus à la surface et leur effet sur I'énergie de l'interaction avec un monomére à proximité de I'interface est calculé. Pour ces études aucune distorsion de la surface de glace n'a été envisagée. Les énergies trouvées suivent les mêmes tendances que pour une interaction ion-monomère libre.

Zusammenfassung

Zusammenfassung

Genaue Kenntnis der Energieverhältnisse der Wechselwirkung eines Wassermonomers mit einer Eisoberfläche ist wichtig für das Verständnis der Faktoren, welche sowohl die Keimbildung als auch das Wachstum von Eis beherrschen. In dieser Arbeit bilden wir diese Wechselwirkung im Modell nach. Wir nehmen einen kleinen Ausschnitt einer Eisoberfläche und halbempirische quantenmechanische Berechnungen des CNDO/INDO Typs, urn die Energieverhältnisse eines Moleküls der Gasphasc beim Annähern an die Oberfläche zu untersuchen. Beim Versuch, das System soweit wie möglich zu vereinfachen und zugleich die wesentlichen Kennzeichen des "wirklichen" physikalischen Zustandes zu bewahren, wurden dreizehn Wassermoleküle benützt, die auf den Gitterplätzen von Eis Ih angeordnet waren, urn die Oberfläche darzustellcn. Elektronendichtediagramme wurden for Basis- und Prismenoberfläche aufgestellt. Es wurden Kurven der potentiellen Energie für ein Monomer berechnet, das sich verschiedenen Stellen auf jeder der beiden Oberflächenarten annähert. Die Bindungsenergien Monomer-Oberfläche für die untersuchten Stellen reichten von annähernd 17 bis 33 kJ/mol. Ionenpaare des Typs H3O+-0H- wurden in die Oberfläche mit eingeschlossen und ihre Wirkung auf die Wechselwirkungsenergie mit einem auftreffenden Monomer berechnet. Bei diesen Untersuchungen wurde keine Verzerrung der Eisoberfläche zugelassen. Die gefundenen Energien folgen dem selben Trend wie die beobachtetc freie Monomer-Ion-Wechselwirkung.

Information

Type
Research Article
Copyright
Copyright © International Glaciological Society 1978
Figure 0

Fig. 1.Section of the basal surface of ice Ih showing the proton configurations for an alternating (BA) surface. The primary bonding site is indicated by 1. The dashed lines connect molecules in the same plane and illustrate the hexagonal symmetry of the lattice.

Figure 1

Fig. 2.Section of the prism surface of ice Ih. The primary bonding site is indicated by 1.

Figure 2

Fig. 3.Sections of the basal surface illustrating two configurations of ion pair defects.

Figure 3

Fig. 4.Basal surface illustrating separated ion defects.

Figure 4

Fig. 5.Electron-density map of the basal (BA) surface of ice Ih. The magnitude of the density in the plane of the upper level of molecules is represented by the height of the peaks.

Figure 5

Fig. 6.Electron-density map 1 Å above the basal (BA) ice Ih surface.

Figure 6

Fig. 7.Electron-density map perpendicular to the basal (BA) surface along the trajectories approaching the primary and bifurcated sites.

Figure 7

Fig. 8.Electron-density map for the approach to the second layer bonding site. The axes are parallel to those in Figure 7.

Figure 8

Fig. 9.Potential energy versus monomer-surface distance for a monomer approaching the primary bonding site on the basal surface.

Figure 9

Fig. 10.Potential energy versus monomer-surface distance for a monomer approaching (A) the birfurcated site and (B) the "second" layer site on the basal surface.

Figure 10

Fig. 11.Potential energy barrier for transition between the primary and bifurcated basal sites.

Figure 11

Fig. 12.Electron-density map for prism face of ice Ih.

Figure 12

Fig. 13.Potential energy versus monomer-surface distance for a monomer approaching a positive surface site top) and a negative surface site (bottom) of basal ice Ih having ion-pair deject sites.

Figure 13

Table I.Summary of Results for Basal Surface-Energy Calculations

Figure 14

Table II.Summary of Results for Energy Calculation for Defect Surfaces