導入
計算化学では、古典的な水モデルは、水および水溶液 (陰的溶媒を使用したモデルではなく、いわゆる陽的溶媒を使用した) のシミュレーションに使用されます。これらのモデルは通常、分子力学の近似を使用します。多くの異なるモデルが提案されています。これらは、モデル (原子と特定の部位) を定義するために使用される点の数、構造の剛性または柔軟性、さらには分極効果の考慮に応じて分類できます。
単純なモデル: プレゼンテーション
最も単純な水モデルは、水分子を剛体とみなし、非結合相互作用に依存します。静電相互作用はクーロンの法則を使用してモデル化され、分散力と反発力はレナード・ジョーンズ ポテンシャルを使用してモデル化されます。
- $$ {E_{ab} = \sum_{i} ^{on\ a} \sum_{j} ^{on\ b} \frac {q_iq_j e^2}{r_{ij}} + \frac {A}{r_{OO}^{12}} – \frac {B}{r_{OO}^6} } $$
荷電サイトは、原子上または特定のサイト (非結合ペアなど) に位置する可能性があります。レナード・ジョーンズの用語は通常、酸素原子に限定して適用されます。
下の図は、3 か所から 6 か所の水パターンの一般的な形状を示しています。正確な幾何学的パラメーター (OH 結合の長さと HOH 角度の値) はモデルによって異なります。
4サイトモデル
4 サイト モデルでは、HOH 角の二等分線に沿って酸素の近くに配置された擬似原子 (図ではMで示されている) 上の負電荷の位置が特定されます。この配置により、水分子の周囲の静電荷の分布が改善されます。このアプローチを使用した最初のモデルは 1933 年に発表された Bernal-Fowler モデルで、これは最初の水モデルでもありました。ただし、このモデルは密度や蒸発エネルギーなどの水の質量特性を正確に再現していないため、歴史的にのみ興味深いものです。これは、選択したパラメータ化方法の直接的な結果です。それ以来利用可能なコンピュータ計算技術を使用したより最近のモデルは、モンテカルロ型シミュレーションまたは分子動力学シミュレーションを使用してパラメータ化され、質量特性の良好な再現が得られるまでこれらのパラメータが調整されました。
TIP4P モデルは 1983 年に初めて公開され、数値化学コードに広く実装されており、生体分子システムのシミュレーションに使用されることもあります。特定の用途向けに TIP4P モデルの大幅な再パラメータ化が行われています。TIP4P-Ew モデルは Ewald 加算法で使用します。 TIP4P/Ice、固体水 (氷) シミュレーション用。 TIP4P/2005 は、水相図の完全なシミュレーションのための一般的なパラメーター化です。
| BF | TIPS2 | ヒント4P | TIP4P-Ew | TIP4P/アイス | TIP4P/2005 | |
|---|---|---|---|---|---|---|
| r(OH)、Å | 0.96 | 0.9572 | 0.9572 | 0.9572 | 0.9572 | 0.9572 |
| ほー、度 | 105.7 | 104.52 | 104.52 | 104.52 | 104.52 | 104.52 |
| r(OM)、Å | 0.15 | 0.15 | 0.15 | 0.125 | 0.1577 | 0.1546 |
| A × 10 -3 、kcal Å 12 /mol | 560.4 | 695.0 | 600.0 | 656.1 | 857.9 | 731.3 |
| B、kcal Å 6 /mol | 837.0 | 600.0 | 610.0 | 653.5 | 850.5 | 736.0 |
| q(M) | −0.98 | −1.07 | −1.04 | −1.04844 | −1.1794 | −1.1128 |
| q(H) | +0.49 | +0.535 | +0.52 | +0.52422 | +0.5897 | +0.5564 |
その他：
- TIP4PF（フレキシブル）