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Complexation and bonding studies on [Ru(NO)(H$$_{2}$$O)$$_{5}$$]$$^{3+}$$ with nitrate ions by using density functional theory calculation

密度汎関数計算を用いた[Ru(NO)(H$$_{2}$$O)$$_{5}$$]$$^{3+}$$と硝酸イオンの錯生成反応及び結合状態の研究

加藤 茜* ; 金子 政志 ; 中島 覚*

Kato, Akane*; Kaneko, Masashi; Nakashima, Satoru*

高レベル放射性廃液中のルテニウム化学種の安定性を予測することを目的として、硝酸溶液中のルテニウムニトロシル錯体の錯生成反応を密度汎関数法(DFT)を用いて調査した。DFT計算によって得られた[Ru(NO)(NO$$_{3}$$)$$_{3}$$(H$$_{2}$$O)$$_{2}$$]の最適化構造を既報の実験値と比較した結果、Ru-配位子結合距離やIR振動数を再現することが分かった。幾何異性体間のギブズエネルギーの比較した結果、硝酸イオンの錯生成反応は、Ru-NO軸に対してエクアトリアル平面に配位することによって進行することが明らかになった。また、逐次錯体生成反応におけるギブズエネルギー差を見積ったところ、Ru錯体種と置換する配位子との会合エネルギーを考慮することによって、6M硝酸中のRu錯体種のフラクションを再現することに成功した。Ru-配位子との配位結合の解析の結果、Ru錯体種の安定性は、トランス影響に起因する電子密度の違いによって説明できることが示唆された。本研究は、硝酸中における白金族元素の詳細な錯生成反応のモデル化に寄与することが期待される。

Complexation reactions of ruthenium-nitrosyl complexes in HNO$$_{3}$$ solution were investigated by density functional theory (DFT) calculations in order to predict the stability of Ru species in high-level radioactive liquid waste (HLLW) solution. Equilibrium structure of [Ru(NO)(NO$$_{3}$$)$$_{3}$$(H$$_{2}$$O)$$_{2}$$] obtained by DFT calculations reproduced the experimental Ru-ligands bond lengths and IR frequencies reported previously. Comparison of the Gibbs energies among the geometrical isomers revealed that the complexation reactions of the ruthenium-nitrosyl complexes with NO$$_{3}$$$$^{-}$$ proceed via the NO$$_{3}$$$$^{-}$$ coordination to the equatorial plane toward the Ru-NO axis. We also estimated Gibbs energy differences on the stepwise complexation reactions to succeed in reproducing the fraction of Ru-NO species in 6 M HNO$$_{3}$$ solution, such as in HLLW, by considering the association energy between the Ru-NO species and the substituting ligands. Electron density analyses of the complexes indicated that the strength of the Ru-ligands coordination bonds depends on the stability of the Ru species and the Ru complex without NO$$_{3}$$$$^{-}$$ at the axial position is more stable than that wit NO$$_{3}$$$$^{-}$$, which might attribute to the difference in the trans influence between H$$_{2}$$O and NO$$_{3}$$$$^{-}$$. Finally, we demonstrated the complexation kinetics in the reactions $$x = 1 rightarrow x = 2$$. The present study is expected to enable us to model the precise complexation reactions of platinum-group metals in HNO$$_{3}$$ solution.

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パーセンタイル:62.74

分野:Chemistry, Multidisciplinary

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