X-ray Raman spectroscopy (XRS) combined with small-angle x-ray scattering (SAXS) were used to study aqueous solutions of HCl and NaOH. Hydrated structures of H+ and OH− are not simple mirror images of each other. While both ions have been shown to strengthen local hydrogen bonds in the hydration shell as indicated by XRS, SAXS suggests that H+ and OH− have qualitatively different long-range effects. The SAXS structure factor of HCl (aq) closely resembles that of pure water, while NaOH (aq) behaves similar to NaF (aq). We propose that protons only locally enhance hydrogen bonds while hydroxide ions induce tetrahedrality in the overall hydrogen bond network of water.
REFERENCES
1.
I.
Ohmine
and H.
Tanaka
, Chem. Rev.
93
, 2545
(1993
).2.
P. G.
Debenedetti
, J. Phys.: Condens. Matter
15
, R1669
(2003
).3.
M. F.
Chaplin
, “Water Structure and Science
,” see http://www.lsbu.ac.uk/water/index.html for a comprehensive source of information about water.4.
N.
Agmon
, Chem. Phys. Lett.
244
, 456
(1995
).5.
M.
Tuckerman
, K.
Laasonen
, M.
Sprik
, and M.
Parrinello
, J. Phys. Chem.
99
, 5749
(1995
).6.
D.
Marx
, M. E.
Tuckerman
, J.
Hutter
, and M.
Parrinello
, Nature (London)
397
, 601
(1999
).7.
J. T.
Hynes
, Nature (London)
397
, 565
(1999
).8.
M.
Eigen
and L.
de Maeyer
, Proc. R. Soc. London, Ser. A
247
, 505
(1958
).9.
M.
Eigen
, Angew. Chem., Int. Ed.
3
, 1
(1964
).10.
W. H.
Robertson
, E. G.
Diken
, E. A.
Price
, J.-W.
Shin
, and M. A.
Johnson
, Science
299
, 1367
(2003
).11.
12.
E. F.
Aziz
, N.
Ottosson
, M.
Faubel
, I. V.
Hertel
, and B.
Winter
, Nature (London)
455
, 89
(2008
).13.
S. T.
Roberts
, P. B.
Petersen
, K.
Ramasesha
, A.
Tokmakoff
, I. S.
Ufimtsev
, and T. J.
Martinez
, Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A.
106
, 15154
(2009
).14.
K. J.
Tielrooij
, R. L. A.
Timmer
, H. J.
Bakker
, and M.
Bonn
, Phys. Rev. Lett.
102
, 198303
(2009
).15.
N.
Agmon
, Chem. Phys. Lett.
319
, 247
(2000
).16.
P. L.
Geissler
, C.
Dellago
, D.
Chandler
, J.
Hutter
, and M.
Parrinello
, Science
291
, 2121
(2001
).17.
J.
Xu
, S.
Izvekov
, and G. A.
Voth
, J. Phys. Chem. B
114
, 9555
(2010
).18.
M. E.
Tuckerman
, A.
Chandra
, and D.
Marx
, Acc. Chem. Res.
39
, 151
(2006
).19.
D.
Marx
, A.
Chandra
, and M. E.
Tuckerman
, Chem. Rev.
110
, 2174
(2010
).20.
M. E.
Tuckerman
, A.
Chandra
, and D.
Marx
, J. Chem. Phys.
133
, 124108
(2010
).21.
J.
Hunger
, L.
Liu
, K.-J.
Tielrooij
, M.
Bonn
, and H.
Bakker
, J. Chem. Phys.
135
, 124517
(2011
).22.
G.
Zundel
and H.
Metzger
, Z. Phys. Chem. (Frankfurt)
58
, 225
(1968
).23.
D.
Marx
, Chem. Phys. Chem.
8
, 209
(2007
).24.
V.
Buch
, A.
Dubrovskiy
, F.
Mohamed
, M.
Parrinello
, J.
Sadlej
, A. D.
Hammerich
, and J. P.
Devlin
, J. Phys. Chem. A
112
, 2144
(2008
).25.
O.
Vendrell
, F.
Gatti
, and H.-D.
Meyer
, Angew. Chem., Int. Ed.
48
, 352
(2009
).26.
J.
Xu
, Y.
Zhang
, and G. A.
Voth
, J. Phys. Chem. Lett.
2
, 81
(2011
).27.
H.
Chen
, G. A.
Voth
, and N.
Agmon
, J. Phys. Chem. B
114
, 333
(2010
).28.
J.-W.
Shin
, N. I.
Hammer
, E. G.
Diken
, M. A.
Johnson
, R. S.
Walters
, T. D.
Jaeger
, M. A.
Duncan
, R. A.
Christie
, and K. D.
Jordan
, Science
304
, 1137
(2004
).29.
J. M.
Headrick
, E. G.
Diken
, R. S.
Walters
, N. I.
Hammer
, R. A.
Christie
, J.
Cui
, E. M.
Myshakin
, M. A.
Duncan
, M. A.
Johnson
, and K. D.
Jordan
, Science
308
, 1765
(2005
).30.
E. S.
Stoyanov
, I. V.
Stoyanova
, and C. A.
Reed
, J. Am. Chem. Soc.
132
, 1484
(2010
).31.
A.
Botti
, F.
Bruni
, S.
Imberti
, M. A.
Ricci
, and A. K.
Soper
, J. Chem. Phys.
121
, 7840
(2004
).32.
A.
Botti
, F.
Bruni
, M. A.
Ricci
, and A. K.
Soper
, J. Chem. Phys.
125
, 014508
(2006
).33.
M. E.
Tuckerman
, D.
Marx
, and M.
Parrinello
, Nature (London)
417
, 925
(2002
).34.
B.
Chen
, I.
Ivanov
, J. M.
Park
, M.
Parrinello
, and M. L.
Klein
, J. Phys. Chem. B
106
, 12006
(2002
).35.
A.
Botti
, F.
Bruni
, S.
Imberti
, M. A.
Ricci
, and A. K.
Soper
, J. Chem. Phys.
119
, 5001
(2003
).36.
A.
Botti
, F.
Bruni
, S.
Imberti
, M. A.
Ricci
, and A. K.
Soper
, J. Chem. Phys.
120
, 10154
(2004
).37.
S.
Imberti
, A.
Botti
, F.
Bruni
, G.
Cappa
, M. A.
Ricci
, and A. K.
Soper
, J. Chem. Phys.
122
, 194509
(2005
).38.
S. E.
McLain
, S.
Imberti
, A. K.
Soper
, A.
Botti
, F.
Bruni
, and M. A.
Ricci
, Phys. Rev. B
74
, 094201
(2006
).39.
T.
Megyes
, S.
Balint
, T.
Grosz
, T.
Radnai
, I.
Bako
, and P.
Sipos
, J. Chem. Phys.
128
, 044501
(2008
).40.
A.
Chandra
, M. E.
Tuckerman
, and D.
Marx
, Phys. Rev. Lett.
99
, 145901
(2007
).41.
D.
Asthagiri
, L. R.
Pratt
, J. D.
Kress
, and M. A.
Gomez
, Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A.
101
, 7229
(2004
).42.
S.
Kale
and J.
Herzfeld
, Angew. Chem., Int. Ed.
51
, 11029
(2012
).43.
A.
Nilsson
, D.
Nordlund
, I.
Waluyo
, N.
Huang
, H.
Ogasawara
, S.
Kaya
, U.
Bergmann
, L. Å.
Näslund
, H.
Öström
, P.
Wernet
, K. J.
Andersson
, T.
Schiros
, and L. G. M.
Pettersson
, J. Electron Spectrosc. Relat. Phenom.
177
, 99
(2010
).44.
L. Å.
Näslund
, J.
Lüning
, Y.
Ufuktepe
, H.
Ogasawara
, P.
Wernet
, U.
Bergmann
, L. G. M.
Pettersson
, and A.
Nilsson
, J. Phys. Chem. B
109
, 13835
(2005
).45.
A.
Nilsson
, P.
Wernet
, D.
Nordlund
, U.
Bergmann
, M.
Cavalleri
, M.
Odelius
, H.
Ogasawara
, L.-Å.
Näslund
, T. K.
Hirsch
, L.
Ojamäe
, P.
Glatzel
, and L. G. M.
Pettersson
, Science
308
, 793a
(2005
).46.
U.
Bergmann
, P.
Wernet
, P.
Glatzel
, M.
Cavalleri
, L. G. M.
Pettersson
, A.
Nilsson
, and S. P.
Cramer
, Phys. Rev. B
66
, 092107
(2002
).47.
I.
Waluyo
, C.
Huang
, D.
Nordlund
, U.
Bergmann
, T. M.
Weiss
, L. G. M.
Pettersson
, and A.
Nilsson
, J. Chem. Phys.
134
, 064513
(2011
).48.
A.
Nilsson
and L. G. M.
Pettersson
, Chem. Phys.
389
, 1
(2011
).49.
K.
Nishikawa
, Y.
Kodera
, and T.
Iijima
, J. Phys. Chem.
91
, 3694
(1987
).50.
K.
Nishikawa
, H.
Hayashi
, and T.
Iijima
, J. Phys. Chem.
93
, 6559
(1989
).51.
H.
Hayashi
, K.
Nishikawa
, and T.
Iijima
, J. Phys. Chem.
94
, 8334
(1990
).52.
M. H. J.
Koch
, P.
Vachette
, and D. I.
Svergun
, Q. Rev. Biophys.
36
, 147
(2003
).53.
C.
Huang
, K. T.
Wikfeldt
, T.
Tokushima
, D.
Nordlund
, Y.
Harada
, U.
Bergmann
, M.
Niebur
, T.
Weiss
, Y.
Horikawa
, M.
Leetmaa
, M. P.
Ljungberg
, O.
Takahashi
, A.
Lenz
, L.
Ojamäe
, A. P.
Lyubartsev
, S.
Shin
, L. G. M.
Pettersson
, and A.
Nilsson
, Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A.
106
, 15214
(2009
).54.
C.
Huang
, T. M.
Weiss
, D.
Nordlund
, K. T.
Wikfeldt
, L. G. M.
Pettersson
, and A.
Nilsson
, J. Chem. Phys.
133
, 134504
(2010
).55.
L.
Bosio
, J.
Teixeira
, and H. E.
Stanley
, Phys. Rev. Lett.
46
, 597
(1981
).56.
Y.
Xie
, K. F.
Ludwig
, G.
Morales
, D. E.
Hare
, and C. M.
Sorensen
, Phys. Rev. Lett.
71
, 2050
(1993
).57.
L.
Bosio
, J.
Teixeira
, and M. C.
Bellissent-Funel
, Phys. Rev. A
39
, 6612
(1989
).58.
D.
Sokaras
, D.
Nordlund
, T. C.
Weng
, R. A.
Mori
, P.
Velikov
, D.
Wenger
, A.
Garachtchenko
, M.
George
, V.
Borzenets
, B.
Johnson
, Q.
Qian
, T.
Rabedeau
, and U.
Bergmann
, Rev. Sci. Instrum.
83
, 043112
(2012
).59.
P.
Wernet
, D.
Nordlund
, U.
Bergmann
, M.
Cavalleri
, M.
Odelius
, H.
Ogasawara
, L. Å.
Näslund
, T. K.
Hirsch
, L.
Ojamäe
, P.
Glatzel
, L. G. M.
Pettersson
, and A.
Nilsson
, Science
304
, 995
(2004
).60.
I.
Waluyo
, C.
Huang
, D.
Nordlund
, T. M.
Weiss
, L. G. M.
Pettersson
, and A.
Nilsson
, J. Chem. Phys.
134
, 224507
(2011
).61.
M.
Cavalleri
, L. Å.
Näslund
, D. C.
Edwards
, P.
Wernet
, H.
Ogasawara
, S.
Myneni
, L.
Ojamäe
, M.
Odelius
, A.
Nilsson
, and L. G. M.
Pettersson
, J. Chem. Phys.
124
, 194508
(2006
).62.
C. D.
Cappa
, J. D.
Smith
, B. M.
Messer
, R. C.
Cohen
, and R. J.
Saykally
, J. Phys. Chem. A
111
, 4776
(2007
).63.
M.
Odelius
, M.
Cavalleri
, A.
Nilsson
, and L. G. M.
Pettersson
, Phys. Rev. B
73
, 024205
(2006
).64.
M.
Cavalleri
, H.
Ogasawara
, L. G. M.
Pettersson
, and A.
Nilsson
, Chem. Phys. Lett.
364
, 363
(2002
).65.
F.
Sette
, J.
Stöhr
, and A. P.
Hitchcook
, Chem. Phys. Lett.
110
, 517
(1984
).66.
67.
R.
Leberman
and A. K.
Soper
, Nature (London)
378
, 364
(1995
).68.
T.
Tokushima
, Y.
Harada
, Y.
Horikawa
, O.
Takahashi
, Y.
Senba
, H.
Ohashi
, L. G. M.
Pettersson
, A.
Nilsson
, and S.
Shin
, J. Electron Spectrosc. Relat. Phenom.
177
, 192
(2010
).69.
J.
Wang
, A. N.
Tripathi
, and J. V. H.
Smith
, J. Chem. Phys.
101
, 4842
(1994
).70.
International Tables for Crystallography, Vol. C: Mathematical, Physical and Chemical Tables
(John Wiley & Sons, Inc.
, 2006
).71.
A. H.
Narten
, J. Chem. Phys.
70
, 299
(1979
).72.
C.
Huang
, K. T.
Wikfeldt
, D.
Nordlund
, U.
Bergmann
, T.
McQueen
, J.
Sellberg
, L. G. M.
Pettersson
, and A.
Nilsson
, Phys. Chem. Chem. Phys.
13
, 19997
(2011
).© 2013 AIP Publishing LLC.
2013
AIP Publishing LLC
You do not currently have access to this content.
