HNO3` in katı su kümelerinde ve buz yüzeyindeki solvasyon ve iyonlaşması, ve klor içeren kuvvetli asitlerin solvasyon prosesine etkisi

Abstract

ÖZETDoktora TeziHNO3' İN KATI SU KÜMELERİNDE VE BUZ YÜZEYİNDEKİ SOLVASYON VE İYONLAŞMASI, VE KLOR İÇEREN KUVVETLİ ASİTLERİN SOLVASYON PROSESİNE ETKİSİFatime Mine BALCISüleyman Demirel ÜniversitesiFen Bilimleri EnstitüsüKimya Anabilim DalıDanışman: Doç. Dr. Nevin AYTEMİZHCl ve HNO3 gibi kuvvetli asitlerin su içinde katı faz solvasyon ve iyonlaşması atmosfer kimyasında önemli konudur. Bunun nedeni, atmosferde meydana gelen özellikle ozon deliği tükenmesinin olduğu birçok heterojen reaksiyonlar buz yüzeyinde meydana gelir. Bundan dolayı, buz yüzeyi bu reaksiyonlar için bir katalizör görevi görmektedir.Bu çalışmanın amacı, kuvvetli bir asit olan HNO3'in düşük sıcaklıklarda küçük su kümelerinde/buz yüzeyindeki solvasyon ve oto-iyonlaşmasını incelemektir. Ayrıca, atmosferde mevcut olan klor ihtiva eden kuvvetli asitlerin, HNO3 molekülünün solvasyon ve iyonlaşmasına etkisi incelenmiştir. Bu çalışmada iki temel program kullanılmıştır: Bunlardan ilki, Gaussian 03 paket programı kullanarak DFT ve MP2 seviyelerinde kuantum mekaniksel hesaplamalardır, diğeri ise kodlaması CP2K paketinde ab initio moleküler dinamik simülasyonudur.İlk olarak, HNO3'in buz yüzeyinde solvasyon ve iyonlaşmasını anlamak için, küçük su kümelerinde oto-iyonlaşması incelenmiştir. HNO3'in su kümelerinde/buz yüzeyinde analizi su molekülleri sayısı ve HNO3'in sahip olduğu toplam hidrojen bağ sayısı olan koordinasyon sayısına göre yapılmıştır. Ayrıca, klor ihtiva eden, HCl ve HOCl gibi yardımcı adsorbatların HNO3 molekülünün koordinasyonuna katkısı incelenmiştir. Bütün buz yüzeyi çalışmaları, katı faz suyun en baskın hali olan hekzagonal buzda (Ih) yapılmıştır.Bu çalışmanın temel bulgularında biri, HNO3 molekülünün buz yüzeyinde zayıf bir asit gibi davranmasıdır.Anahtar Kelimeler: Nitrik asit, oto-iyonlaşma, HCl, HOCl, su kümeleri, buz yüzeyi, kuantum mekaniksel hesaplamalar, ab inito moleküler dinamik simülayonu.2012, 186 sayfa

ABSTRACTPh.D. ThesisSOLVATION AND IONIZATION OF HNO3 ON/IN COLD WATER CLUSTERS AND ICE, AND THE EFFECT OF CHLORINE CONTAINING STRONG ACID ON THE SOLVATION PROCESSFatime Mine BALCISüleyman Demirel UniversityGraduate School of Applied and Natural SciencesChemistry DepartmentSupervisor:Assoc. Prof. Dr. Nevin AYTEMİZThe solid phase solvation and ionization of strong acids, such as HCl and HNO3, within water are important subject in the atmosphere chemistry. The reason for this is many heterogeneous reactions, especially ozone hole depletion that takes places in the atmosphere occurs on ice surface. That is, ice surface plays a role as catalyst for these reactions.The goal of this study is to investigate the solvation and auto-ionization of one of the strong acids namely, HNO3, at low temperatures on small water clusters/ice surface. Furthermore, the effect of chlorine containing strong acids, which are also present in the atmosphere, on solvation and ionization process of HNO3 molecule has also been examined. Two main programs were used in this study: The first one is quantum mechanical calculations at the DFT and MP2 levels by using the Gaussian 03 package program, the other one is ab initio molecular dynamics coded in CP2K package.Firstly, the auto-ionization of HNO3 in small water clusters was investigated to understand the solvation and ionization of HNO3 on the ice surface. The analysis of the HNO3 in water clusters/ice surface has been done according to the number of water molecules and the coordination number of nitric acid molecule which is total number of H-bonds that HNO3 molecule gets. Furthermore, the contributions of the chlorine containing co-adsorbates namely, HCl and HOCl, to the coordination number of HNO3 molecule have been examined. All ice surface studies have been done by the hexagonal ice (Ih) which is the most dominant form of the solid phase water.One of the main findings of this study is that the HNO3 molecule behaves as weak acid on the crystalline ice surface.Key Words: Nitric acid, auto-ionization, HCl, HOCl, water clusters, ice surface, quantum mechanical calaculations, ab inito molecular dynamics simulation.2012, 186 pages