Predicting the energy of the water exchange reaction and free energy of solvation for the uranyl ion in aqueous solution

Journal of Physical Chemistry A

Volumn 110, Issue 28, 2006, Pages 8840-8856

  Gutowski, Keith E ^a   Dixon, David A ^a  

^a UNIVERSITY OF ALABAMA   (United States)

Author keywords

[No Author keywords available]

Indexed keywords

FREE ENERGY; HYDRATION; IONS; ISOMERIZATION; POSITIVE IONS; PROBABILITY DENSITY FUNCTION; SOLVENTS; WATER;

DENSITY FUNCTIONAL THEORY (DFT); GAS-PHASE; SOLVATION; WATER EXCHANGE REACTION;

SOLUTIONS;

EID: 84962425018     PISSN: 10895639     EISSN: None     Source Type: Journal    
DOI: 10.1021/jp061851h     Document Type: Article

References (133)

1. (a) Rizkalla, E. N.; Choppin, G. R. In Handbook on the Physics and Chemistry of Rare Earths; Gschneidner, K. A., Jr., Eyring, L., Choppin, G. R., Lander, G. H., Eds.; Lanthanides/Actinides: Chemistry; North-Holland: New York, 1994; Vol. 18, pp 529-558.
2. (b) Choppin, G. R.; Rizkalla, E. N. In Handbook on the Physics and Chemistry of Rare Earths; Gschneidner, K. A., Jr., Eyring, L., Choppin, G. R., Lander, G. H., Eds.; Lanthanides/Actinides: Chemistry; North-Holland: New York, 1994; Vol. 18, pp 559-590.
3. (c) Choppin, G. R. J. Less-Common Met. 1983, 93, 323-330.
4. (d) Choppin, G. R.; Wong, P. J. Aquatic Geochem. 1998, 4, 77-101.
5. (e) Nash, K. L. Sep. Sci. Technol 1999, 34, 911-929.
6. (a) Gutowski, K. E.; Bridges, N. J.; Rogers, R. D. In Chemistry of the Actiniae and Transactinide Elements, 3rd ed.; Morss, L. R., Edelstein, N. M., Fuger, J., Katz, J. J., Eds.; Springer: Berlin (in press),
7. (b) Burns, P. C.; Ewing, R. C.; Hawthorne, F. C. Can. Miner. 1997, 55, 1551-1570.
8. (a) Sullens, T. A.; Jensen, R. A.; Shvareva, T. Y.; Albrecht-Schmitt, T. E. J. Am. Chem. Soc. 2004, 126, 2676-2677.
9. (b) Sarsfield, M. J.; Helliwell, M. J. Am. Chem. Soc. 2004, 126, 1036-1037.
10. (a) Fanghänel, T.; Neck, V. Pure Appl. Chem. 2002, 74, 1895-1970.
11. (b) Clark, D. L.; Hobart, D. E.; Neu, M. P. Chem. Rev. 1995, 95, 25-48.
12. (c) Casellato, U.; Vigato, P. A.; Vidali, M. J. Coord. Chem. 1981, 36, 183-265.
13. (d) Neuefeind, J.; Skanthakumar, S.; Soderholm, L. Inorg. Chem. 2004, 43, 2422-2426.
14. (e) Locock, A. J.; Burns, P. C. J. Solid State Chem. 2002, 163, 275-280.
15. (f) Casellato, U.; Vigato, P. A.; Vidali, M. Coord. Chem. Rev. 1978, 26, 85-159.
16. (g) Clark, D. L.; Keogh, D. W.; Palmer, P. D.; Scott, B. L.; Tait, C. D. Angew. Chem., Int. Ed. Engt. 1998, 37. 164-5.
17. (h) Thuéry, P.; Nierlich, M.; Harrowfield, J. M.; Ogden, M. I. In Calixarenes 2001; Asfari, Z., Böhmer, V., Harrowfield, J., Vicens, J., Eds.; Kluwer Academic: Dordrecht, 2001; pp 561-582.
18. (a) Alexander, V. Chem. Rev. 1995, 95, 273-342.
19. (b) Sessler, J. L.; Seidel, D.; Vivian, A. E.; Lynch, V.; Scott, B. L.; Keogh, D. W. Angew. Chem., Int. Ed. Engl., 2001, 40, 591-594.
20. (c) Wrobleski, D. A.; Cromer, D. T.; Ortiz, J.V.; Rauschfuss, T. B.; Ryan, R. R.; Sattelberger, A. P. J. Am. Chem. Soc. 1986, 108, 174-175.
21. (d) Evans, W. J.; Kozimor, S. A.; Ziller, J. W. Science 2005, 309, 1835-1838.
22. (e) Crawford, M. J.; Ellern, A.; Mayer, P. Angew. Chem., Int. Ed. 2005, 44, 7874-7878.
23. (f) Taylor, J. C. Coord. Chem. Rev. 1976, 20, 197-273.
24. Hemmingsen, L.; Amara, P.; Ansoborlo, E.; Field, M. J. J. Phys. Chem. A 2000, 104, 4095-4101.
25. Clavaguéra-Sarrio, C.; Brenner, V.; Hoyau, S.; Marsden, C. J.; Milliè, P.; Dognon, J.-P. J. Phys. Chem. B 2003, 107, 3051-3060.
26. (a) Sémon, L.; Boehme, C.; Billard, I.; Hennig, C.; Lützenkirchen, K.; Reich, T.; Rossberg, A.; Rossini, L; Wipff, G. Chem. Phys. Chem. 2001, 2, 591-598.
27. (b) Wahlgren, U.; Moll, H.; Grenthe, I.; Schimmelpfennig, B.; Maron, L.; Vallet, V.; Gropen, O. J. Phys. Chem. A 1999, 103, 8257-8264.
28. Campbell, L.; Rehr, J. J.; Schenter, G. K.; McCarthy, M. L; Dixon, D. A. J. Synchroton Rad. 1999, 6, 310-312.
29. (a) Farkas, I.; Bányai, I.; Szabó, Z.; Wahlgen, U.; Grenthe, I. Inorg. Chem. 2000, 39, 799-805.
30. (b) Vallet, V.; Wahlgren, U.; Schimmelpfennig, B.; Szabó, Z.; Grenthe, I. J. Am. Chem. Soc. 2001, 123, 11999-12008.
31. (c) Vallet, V.; Privalov, T.; Wahlgren, U.; Grenthe, I. J. Am. Chem. Soc. 2004, 120, 7766-7767.
32. (a) Toth, L. M.; Begun, G. M. J. Phys. Chem. 1981, 85, 547-549.
33. (b) Basile, L. J.; Sullivan, J. C.; Ferraro J. R.; LaBonville, P. Appl. Spectrosc. 1974, 28, 142-145.
34. (c) Jones, L. H.; Penneman, R. A. J. Chem. Phys. 1952, 21, 542-544.
35. (d) Quilès, F.; Burneau, A. Vibr. Spectrosc. 2000, 23, 231-241.
36. Åberg, M.; Ferri, D.; Glaser, J.; Grenthe, I. Inorg. Chem. 1983, 22, 3986-3989.
37. Bardin, N.; Rubini, P.; Madic, C. Radiochim. Acta 1998, 83, 189-194.
38. Alcock, N. W.; Esperas, S. J. J. Chem. Soc., Dalton Trans. 1977, 893-896.
39. Fischer, A. Z. Anorg. Allg. Chem. 2003, 029, 1012-1016.
40. Deshayes, L.; Keller, N.; Lance, M.; Nierlich, M.; Vigner, J.-D. Acta Crystallogr., Sect. C 1994, 50, 1541-1544.
41. Allen, P. G.; Bucher, J. J.; Shuh, D. K.; Edelstein, N. M.; Reich, T. Inorg. Chem. 1997, 36, 4676-4683.
42. (a) Neuefeind, J.; Soderholm, L.; Skanthakumar, S. J. Phys. Chem. A 2004, 109, 2733-2739.
43. (b) Soderholm, L.; Skanthakumar, S.; Neuefeind, J. Anal. Bioanal. Chem. 2005, 383, 48-55.
44. (a) Kaltsoyannis, N. Chem. Soc. Rev. 2003, 32, 9-16.
45. (b) de long, W. A.; Aprà, E.; Windus, T. L.; Nichols, J. A.; Harrison, R. J.; Gutowski, K. E.; Dixon, D. A. J. Phys. Chem. A 2005, 109, 11568-11577.
46. (c) Schreckenbach, G.; Hay, J. P.; Martin, R. L. J. Comput. Chem. 1999, 20, 70-90.
47. (d) Hay, P. J.; Martin, M. L. Los Alamos Sci. 2000, 26, 382-391.
48. Tomasi, J.; Mennucci, B.; Cammi, R. Chem. Rev. 2005, 105, 2999-3094.
49. (a) Asthagiri, D.; Pratt, L. R.; Paulaitis, M. E.; Rempe, S. B. J. Am. Chem. Soc. 2004, 126, 1285-1289.
50. (b) Westphal, E.; Pliego, J. R., Jr. J. Chem. Phys. 2005, 123, 074508-1-07508-7.
51. (a) Pavlov, M.; Siegbahn, P. E. M.; Sandström, M. J. Phys. Chem. A 1998, 102, 219-228.
52. (b) Marcos, E. S.; Pappalardo, R. R.; Rinaldi, D. J. Phys. Chem. 1991, 95, 8928-8932.
53. (c) Asthagiri, D.; Pratt, L. R. Chem. Phys. Lett. 2003, 371, 613-619.
54. (d) Katz, A. K.; Glusker, J. P.; Beebe, S. A.; Bock, C. W. J. Am. Chem. Soc. 1996, 118, 5752-5763.
55. Martímez, J. M.; Pappalardo, R. R.; Marcos, E. S. J. Phys. Chem. A 1997, 101, 4444-4448.
56. Cosentino, U.; Villa, A.; Pitea, D.; Moro, G.; Barone, V. J. Phys. Chem. B 2000, 104, 8001-8007.
57. Asthagiri, D.; Pratt, L. R.; Ashbaugh, H. S. J. Chem. Phys. 2003, 119, 2702-2708.
58. (a) Zhan, C.-G.; Dixon, D. A. J. Phys. Chem. A 2001, 105, 11534-11540.
59. (b) Zhan, C.-G.; Dixon, D. A. J. Phys. Chem. A 2002, 106, 9737-9744.
60. (c) Zhan, C.-G.; Dixon, D. A. J. Phys. Chem. B 2003, 107, 4403-4417.
61. (d) Zhan, C.-G.; Dixon, D. A. J. Phys. Chem. A 2004, 108, 2020-2029.
62. Rotzinger, F. P. Helv. Chim. Acta 2000, 83, 3006-3020.
63. Spencer, S.; Gagliardi, L.; Handy, N. C.; Ioannou, A. G.; Skylaris, C.-K.; Willette, A.; Simper, A. M. J. Phys. Chem. A, 1999, 103, 1831-1837.
64. Hay, P. J. J. Chem. Phys. 1983, 79, 5469-5482.
65. Martinez, J. M.; Pappalardo, R. R.; Marcos, E. S.; Mennucci, B.; Tomasi, J. J. Phys. Chem. B 2002, 106, 1118-1123.
66. Hay, P. J.; Martin, R. L.; Schreckenbach, G. J. Phys. Chem. A 2000, 104, 6259-6270.
67. Hay, P. J.; Martin, R. L. J. Chem. Phys. 1998, 109, 3875-3881.
68. Tsushima, S.; Suzuki, A. J. Mol. Struct. (THEOCHEM) 2000, 529, 21-25.
69. Ortiz, J. V.; Hay, R. L.; Martin, J. J. Am. Chem. Soc. 1992, 114, 2736-2737.
70. Tsushima, S.; Yang, T.; Suzuki, A. Chem. Phys. Lett. 2001, 334, 365-373.
71. Fuchs, M. S. K.; Shor, A. M. Rösch, N. Int. J. Quantum Chem. 2002, 86, 487-501.
72. Minami, T.; Matsuoka, O. Theo. Chim. Acta 1995, 90, 27-39.
73. Poirer, R.; Kari, R.; Csizmadia, I. G. Handbook of Gaussian Basis Sets; Elsevier: Amsterdam, 1985.
74. Cornehl, H. H.; Heinemann, C.; Marçalo, J.; Pires de Matos, A.; Schwarz, H. Angew. Chem., Int. Ed. Engl. 1996, 35, 891-894.
75. Marcus, Y. Ion Salvation; John Wiley & Sons Ltd.: New York, 1985; p 107.
76. Hagberg, D.; Karlström, G.; Roos, B. O.; Gagliardi, L. J. Am. Chem. Soc. 2005, 127, 14250-14256.
77. Bühl, M.; Diss, R.; Wipff, G. J. Am. Chem. Soc. 2005, 127, 13506-13507.
78. Moskaleva, L. V.; Kruger, S.; Spörl, A.; Rösch, N. Inorg. Chem. 2004, 43, 4080-4090.
79. Cao, Z.; Balasubramanian, K. J. Chem. Phys. 2005, 123, 114309-114321.
80. Ermler, W. C.; Ross, R. B.; Christiansen, P. A. Int. J. Quanum Chem. 1991, 40, 829-846.
81. Pacios, L. F.; Christiansen, P. A. J. Chem. Phys. 1985, 82, 2664-2671.
82. Van Duijneveldt, F. B. IBM Technol. Res. Report No. RF1971, 945.
83. Shamov, G. A.; Schreckenbach, G. J. Phys. Chem. A 2005, 10961-10974.
84. Küchle, W.; Dolg, M.; Stoll, H.; Preuss, H. J Chem. Phys. 1994, 100, 7535-7542.
85. Marcus, Y. J. Inorg. Nucl. Chem. 1975, 47, 493-501.
86. Gibson, H. K.; Haire, R. G.; Santos, G.; Marcalo, J.; Pires de Matos, A. J. Phys. Chem. A 2005, 109, 2768-2781.
87. Becke, A. D. J. Chem. Phys. 1993, 98, 5648-5652.
88. Lee, C.; Yang, W.; Parr, R. G. Phys. Rev. B 1988, 37, 785-789.
89. Vosko, S. H.; Wilk, L.; Nusair, M. Can. J. Chem. 1980, 58, 1200-1211.
90. Slater, J. C. Phys. Rev. 1951, 81, 385-390. We used the SVWN5 version as implemented in Gaussian-03.
91. Cao, X.; Dolg, M; Stoll, H. J. Chem. Phys. 2003, 118, 487-496.
92. Godbout, N.; Salahub, D. R.; Andzelm, J.; Wimmer, E. Can. J. Chem. 1992, 70, 560-571.
93. Dunning, T. H., Jr. J. Chem. Phys. 1989, 90, 1007-1023.
94. Fine grids (Krack, M.; Koster, A. M. J. Chem. Phys. 1998, 108, 3226-3234) were used in the DFT calculations. No changes in geometries and vibrations was observed with ultrafine grids.
95. Privalov, T.; Schimmelpfennig, B.; Wahlgren, U.; Grenthe, I. J. Phys. Chem. A 2002, 106, 11277-11282.
96. Frisch, M. J.; Trucks, G. W.; Schlegel, H. B.; Scuseria, G. E.; Robb, M. A.; Cheeseman, J. R.; Montgomery, J. A., Jr.; Vreven, T.; Kudin, K. N.; Burant, J. C.; Millam, J. M.; Iyengar, S. S.; Tomasi, J.; Barone, V.; Mennucci, B.; Cossi, M.; Scalmani, G.; Rega, N.; Petersson, G. A.; Nakatsuji, H.; Hada, M.; Ehara, M.; Toyota, K.; Fukuda, R.; Hasegawa, J.; Ishida, M.; Nakajima, T.; Honda, Y.; Kitao, O.; Nakai, H.; Klene, M.; Li, X.; Knox, J. E.; Hratchian, H. P.; Cross, J. B.; Bakken, V.; Adamo, C.; Jaramillo, J.; Gomperts, R.; Stratmann, R. E.; Yazyev, O.; Austin, A. J.; Cammi, R.; Pomelli, C.; Ochterski, J. W.; Ayala, P. Y.; Morokuma, K.; Voth, G. A.; Salvador, P.; Dannenberg, J. J.; Zakrzewski, V. G.; Dapprich, S.; Daniels, A. D.; Strain, M. C.; Farkas, O.; Malick, D. K.; Rabuck, A. D.; Raghavachari, K.; Foresman, J. B.; Ortiz, J. V.; Cui, Q.; Baboul, A. G.; Clifford, S.; Clioslowski, J.; Stefanov, B. B.; Liu, G.; Liashenko, A.; Piskorz, P.; Komaromi, I.; Martin, R. L.; Fox, D. J.; Keith, T.; Al-Laham, M. A.; Peng, C. Y.; Nanayakkara, A.; Challacombe, M.; Gill, P. M. W.; Johnson, B.; Chen, W.; Wong, M. W.; Gonzalez, C.; Pople, J. A. Gaussian 03, revision B.05; Gaussian, Inc.: Wallingford, CT, 2004.
97. Aprà, E.; Windus, T. L.; Straatsma, T. P.; Bylaska, E. J.; de Jong, W.; Hirata, S.; Valiev, M.; Hackler, M.; Pollack, L.; Kowalski, K.; Harrison, R.; Dupuis, M.; Smith, D. M. A.; Nieplocha, J.; Tipparaju V.; Krishnan, M.; Auer, A. A.; Brown, E.; Cisneros, G.; Fann, G.; Fruchtl, H.; Garza, J.; Hirao, K.; Kendall, R.; Nichols, J.; Tsemekhman, K.; Wolinski, K.; Anchell, J.; Bernholdt, D.; Borowski, P.; Clark, T.; Clerc, D.; Dachsel, H.; Deegan, M.; Dyall, K.; Elwood, D.; Glendening, E.; Gutowski, M.; Hess, A.; Jaffe, J.; Johnson, B.; Ju, J.; Kobayashi, R.; Kutteh, R.; Lin, Z.; Littlefield, R.; Long, X.; Meng, B.; Nakajima, T.; Niu, S.; Rosing, M.; Sandrone, G.; Stave, M.; Taylor, H.; Thomas, G.; van Lenthe, J.; Wong, A.; Zhang, Z. NWChem, A Computational Chemistry Package for Parallel Computers, Version 4.7; Pacific Northwest National Laboratory: Richland, WA 99352-0999, 2005.
98. Kendall, R. A.; Apra, E.; Bernholdt, D. E.; Bylaska, E. J.; Dupuis, M.; Fann, G. I.; Harrison, R. J.; Ju, J.; Nichols, J. A.; Nieplocha, J.; Straatsma, T. P.; Windus, T. L.; Wong, A. T. Comput. Phys. Commun. 2000, 128, 260-283.
99. Miertš, S.; Scrocco, E.; Tomasi, J. Chem. Phys. 1981, 55, 117-129.
100. Barone, V.; Cossi, M. J. Phys. Chem A 1998, 102, 1995-2001.
101. Foresman, J. B.; Keith, T. A.; Wiberg, K. B.; Snoonian, J.; Frisch, M. J. J. Phys. Chem. 1996, 100, 16098-16104.
102. Klamt, A.; Schüürmann, G. J. Chem. Soc., Perkin Trans. 2 1993, 799-805.
103. (a) Rappe, A. K.; Casewit, C. J.; Colwell, K. S.; Goddard, W. A.; Skiff, W. M. J. Am. Chem. Soc. 1992, 114, 10024-10035.
104. (b) Barone, V.; Cossi, M.; Tomasi, J. J. Chem. Phys. 1997, 107, 3210-3221.
105. (c) Pauling, L. The Nature of the Chemical Bond, 3rd ed.; Cornell University Press: Ithaca, NY, 1960.
106. (d) Bondi, A. J. Phys. Chem. 1964, 68, 441-451.
107. (a) Reed, A. E.; Curtiss, L. A.; Weinhold, F. Chem. Rev. 1988, 88, 899-926.
108. (b) Foster, J. P.; Weinhold, F. J. Am. Chem. Soc. 1980, 102, 7211-7218.
109. (c) Reed, A. E.; Weinhlod, F. J. Chem. Phys. 1983, 78, 4066-4073.
110. (d) Reed, A. E.; Weinstock, R. B.; Weinhold, F. J. Chem. Phys. 1985, 83, 735-746.
111. (e) Reed, A. E.; Weinhold, F. J. Chem. Phys. 1985, 83, 1736-1740.
112. Johnson, B. G.; Gill, P. M. W.; Pople, J. A. J. Chem. Phys. 1993, 98, 5612-5626.
113. García-Hernández, M.; Lauterbach, C.; Krüger, S.; Matveev, A.; Rösch, N. J. Comput. Chem. 2002, 23, 834-846.
114. Lee, T. J.; Rice, J. E.; Scuseria, G. E.; Schaefer, H. F., III. Theor. Chim. Acta 1989, 75, 81-98.
115. Takanao, Y.; Houk, K. N. T. J. Chem. Theory Comput. 2005, 1, 70-77.
116. Curutchet, C.; Bidon-Chanal, A.; Soteras, I.; Orozco, M.; Luque, F. J. J. Phys. Chem. B 2005, 109, 3565-3574.
117. SCIPCM electrostatic contributions were done with respect to the gas-phase B3LYP/TZVP/Stuttgart energies for the three species. Also, an isodensity value of 0.001 for water was used for all energetics.
118. (a) Dixon, D. A.; Feller, D.; Zhan, C.-G.; Francisco, J. S. Int. J. Mass Spectrom. 2003, 227, 421-438.
119. (b) Alexeev, Y.; Windus, T. L.; Dixon, D. A.; Zhan, C.-G. Int. J. Quantum Chem. 2005, 102, 775-784; 2005, 104, 379-380 (erratum).
120. (a) Ben-Naim, A.; Marcus, Y. J. Chem. Phys. 1984, 81, 2016-2027.
121. (b) Marcus, Y. Biophys. Chem. 1994, 51, 111-127.
122. (c) Hummer, G.; Pratt, L. R.; García, A. E. J. Phys. Chem. 1996, 100, 1206-1215.
123. (d) Martin, R. L.; Hay, P. J.; Pratt, L. R. J. Phys. Chem. A 1998, 102, 3565-3573.
124. 2+.
125. (a) Dang, L. X. J. Phys. Chem. B 1998, 102, 620-624.
126. (b) Dang, L. X.; Chang, T.-M. J. Chem. Phys. 1997, 106, 8149-8159.
127. (c) Dang, L. X.; Rice, J. E.; Caldwell, J.; Kollman, P. A. J. Am. Chem. Soc. 1991, 113, 2481-2486.
128. Feyereisen, M. W.; Feller, D.; Dixon, D. A. J. Phys. Chem. 1996, 100, 2993-2997.
129. n clusters is calculated as -4.3/ n.
130. (a) Zhan, C.-G.; Bentley, J.; Chipman, D. M. J. Chem. Phys. 1998, 108, 177-192.
131. (b) Zhan, C.-G.; Chipman, D. M. J. Chem. Phys. 1998, 109, 10543-10558.
132. (c) Zhan, C.-G.; Chipman, D. M. J. Chem. Phys. 1999, 110, 1611-1622.
133. (d) Zhan, C.-G:; Landry, D. W.; Ornstein, R. L. J. Phys. Chem. A 2000, 104, 7672-7678.