マグネシウムイオンとカルシウムイオンの水和構造

Hydration structures of magnesium and calcium ions

池田 隆司

Ikeda, Takashi

水中のMgとCaの水和構造をカーパリネロ法に基づいた束縛条件つき分子動力学により調べた。反応座標として金属イオンに対する酸素の配位数を用いることにより、第1水和殻の構造の違いから水和錯体を識別することができた。自由エネルギープロファイルを評価することにより、Mgではglobal minimumは八面体状に配置したかなり安定な配位構造であることを明らかにした。一方、Caでは自由エネルギー曲線は幾つかの浅い極小を持つ。このことは、Caの水和構造がかなり変化しやすいことを示唆している。シミュレーションの結果をもとに、水和水の交換反応についても議論した。

We studied the solvation structures of the divalent metal cations Mg and Ca in ambient water by applying a Car-Parrinello-based constrained molecular dynamics method. By employing the metal-water oxygen coordination number as a reaction coordinate, we could identify distinct aqua complexes characterized by structural variations of the first coordination shell. In particular, our estimated free-energy profile clearly shows that the global minimum for Mg is represented by a rather stable six-fold coordination in the octahedral arrangement, in agreement with experiments. Conversely, for Ca the free-energy curve shows several shallow local minima, suggesting that the hydration structure of Ca is highly variable. Implications for water exchange reactions are also discussed.