水クラスター

化学において、水クラスターは、水素結合した個別の水分子の集合体またはクラスターである。[ 1 ] [ 2 ^{]このようなクラスターの多くは理論モデル（} in silico ）によって予測されており、氷、バルク液体の水、気相、非極性溶媒との希薄混合物、結晶格子内の水和水など、さまざまな状況で実験的にいくつか検出されている。最も単純な例は、水二量体（H ₂ O) ₂である。

水クラスターは、温度による密度の異常な変化など、液体の​​水のいくつかの異常な特性を説明するものとして提案されている。水クラスターは、特定の超分子構造の安定化にも関与していると考えられている。^[3]水クラスターは、水に溶解した分子やイオンの水和にも役割を果たすと予想されている。^{[4] [5]}

詳細な水モデルは、水分子の全エネルギーが局所的最小値となる構成として水クラスターの発生を予測する。^{[6] [7] [8]}

特に興味深いのは環状クラスター (H ₂ O) _{n で}、これらは n = 3 から 60 の範囲で存在すると予測されています。^{[9] [10] [11]}低温では、水分子の約 50% がクラスターに含まれます。[ ^12]クラスターのサイズが大きくなると、酸素間の距離が減少することが分かっていますが、これはいわゆる協同的多体相互作用によるものです。電荷分布の変化により、水アセンブリが拡大するたびに、H アクセプター分子はより優れた H ドナー分子になります。ヘキサマー (H ₂ O) _{6には、リング、ブック、バッグ、ケージ、ほぼ同じエネルギーを持つプリズム形状など、多くの異性体が存在するようです。ヘプタマー (H 2} O) ₇には 2 つのケージ状異性体が存在し、オクタマー (H ₂ O) _{8 は}環状または立方体形状で見つかります。

他の理論的研究では、より複雑な三次元構造を持つクラスターが予測されている。^[13] 例としては、フラーレンのようなクラスター (H ₂ O) _{28 （}水バッキーボールと呼ばれる）や、280個の水分子からなる巨大な二十面体ネットワーク（各水分子が他の4個の水分子と配位している）などがある。後者は直径3nmで、280個と100個の分子からなる入れ子状の二十面体シェルで構成されている。^{[14] [15]}また、320個の分子からなる別のシェルを備えた拡張バージョンもある。シェルが追加されるごとに安定性が増している。^[16] 700個を超える水分子からなる水クラスターの理論モデルはあるが、^{[17] [18]}実験的には観測されていない。1つの研究では、グラフ不変量を使用して水素結合トポロジーを生成し、水クラスターと氷の物理的特性を予測している。グラフ不変量の有用性は、水の固体相および液体相とほぼ同じ酸素原子配列に関連する（H ₂ O）₆ケージと（H ₂ O）₂₀十二面体を考慮した研究で示されました。^[19]

バルク水中の超分子構造の実験的研究は、その寿命が短いために困難である。水素結合は200フェムト秒よりも速い時間スケールで継続的に破壊され、再形成される。^[20]

それにもかかわらず、水クラスターは気相中、およびベンゼンや液体ヘリウムなどの水と非極性溶媒の希薄混合物中で観察されています。^{[21] [22]}クラスターの実験的検出と特性評価は、遠赤外線分光法|遠赤外線（FIR）、^[23]振動回転トンネル分光法|振動回転トンネル（VRT）、^[24] Н-NMR、^{[25] [26]}および中性子回折によって達成されています。^[27]六量体は、液体ヘリウム中では平面形状、有機溶媒中では椅子型、気相中ではケージ構造をとることが分かっています。IR分光法と質量分析法を組み合わせた実験では、n =（8-10）の範囲でクラスターの立方構造が明らかになっています。

水が水和物のような結晶構造の一部である場合、X線回折を使用することができる。この方法を使用して、水ヘプタマーの立体配座（環状ねじれ非平面）が決定された。^{[28] [29]さらに、いくつかのポリオキソメタレートクラスターの空洞内に閉じ込められた式（H} ₂ O）₁₀₀の多層水クラスターも、ミュラーらによって報告された。^{[30] [31]}

いくつかのモデルは、水のバルク特性は液体内でのクラスター形成によって支配されていると仮定して、その特性を説明しようと試みている。^{[32]液体の}量子クラスター平衡（QCE）理論によれば、n = 8のクラスターが液体の水バルク相で支配的であり、n = 5とn = 6のクラスターがそれに続く。三重点の近くでは、n = 24のクラスターの存在が想定される。^[33]別のモデルでは、バルク水は、小さな溶質を囲むことができる空洞を含む六量体と五量体のリングの混合物から構築される。さらに別のモデルでは、立方晶水の八量体と2つの環状四量体の間に平衡が存在している。 ^[34]しかし、これらのモデルのいずれも、温度の関数として実験的に観測された水の密度最大値をまだ再現していない。

• 水素結合
• ムペンバ効果
• 水の性質
• リチャード・J・セイカリ

• ロンドン・サウスバンク大学の水クラスター リンク
• ケンブリッジ クラスター データベース - さまざまな水モデルで計算された水クラスターと、ab initio 法で調査された水クラスターが含まれています。