A new ab initio interaction potential based on the hydrated ion concept has been developed to obtain the structure, energetics, and dynamics of the hydration of uranyl in aqueous solution. It is the first force field that explicitly parameterizes the interaction of the uranyl hydrate with bulk water molecules to accurately define the second-shell behavior. The [UO2(H2O)5]2+ presents a first hydration shell U–O average distance of 2.46 Å and a second hydration shell peak at 4.61 Å corresponding to 22 molecules using a coordination number definition based on a multisite solute cavity. The second shell solvent molecules have longer mean residence times than those corresponding to the divalent monatomic cations. The axial regions are relatively de-populated, lacking direct hydrogen bonding to apical oxygens. Angle-solved radial distribution functions as well as the spatial distribution functions show a strong anisotropy in the ion hydration. The [UO2(H2O)5]2+ solvent structure may be regarded as a combination of a conventional second hydration shell in the equatorial and bridge regions, and a clathrate-like low density region in the axial region. Translational diffusion coefficient, hydration enthalpy, power spectra of the main vibrational modes, and the EXAFS spectrum simulated from molecular dynamics trajectories agree fairly well with the experiment.

1.
S.
Cotton
,
Lanthanide and Actinide Chemistry
(
Wiley
,
London
,
2006
).
2.
N.
Bardin
,
P.
Rubini
, and
C.
Madic
,
Radiochim. Acta
83
,
189
(
1998
).
3.
M.
Åberg
,
D.
Ferri
,
J.
Glaser
, and
I.
Grenthe
,
Inorg. Chem.
22
,
3986
(
1983
).
4.
W. D.
Loveland
,
D. J.
Morrissey
, and
G. T.
Seaborg
,
Modern Nuclear Chemistry
(
John Wiley & Sons
2006
).
5.
S. D.
Conradson
,
Appl. Spectrosc.
52
,
252
(
1998
).
6.
U.
Wahlgren
,
H.
Moll
,
I.
Grenthe
,
B.
Schimmelpfennig
,
L.
Maron
,
V.
Vallet
, and
O.
Gropen
,
J. Phys. Chem. A
103
,
8257
(
1999
).
7.
J.
Neuefeind
,
L.
Soderholm
, and
S.
Skanthakumar
,
J. Phys. Chem. A
108
,
2733
(
2004
).
8.
K. L.
Nash
and
G. J.
Lumetta
,
Advanced Separation Techniques for Nuclear Fuel Reprocessing and Radioactive Waste Treatment
(
Woodhead
,
2011
).
9.
J. M.
McKibben
,
Radiochim. Acta
36
,
3
(
1984
).
10.
M.
Dolg
,
Lanthanides and Actinides
(
John Wiley
,
Chichester
,
1999
), p.
1478
.
11.
L.
Seijo
,
Z.
Barandiaran
, and
E.
Harguindey
,
J. Chem. Phys.
114
,
118
(
2001
).
12.
P. J.
Hay
and
R. L.
Martin
,
J. Chem. Phys.
109
,
3875
(
1998
).
13.
P. A.
Malmqvist
,
B. O.
Roos
, and
B.
Schimmelpfennig
,
Chem. Phys. Lett.
357
,
230
(
2002
).
14.
V.
Vallet
,
L.
Maron
,
C.
Teichteil
, and
J.-P.
Flament
,
J. Chem. Phys.
113
,
1391
(
2000
).
15.
N.
Kaltsoyannis
,
P. J.
May
,
J.
Li
,
J. P.
Blaudeau
, and
B. E.
Bursten
,
The Chemistry of Actinide and Transactinide Elements
, 3rd ed. (
Springer
,
Dordrecht
,
2006
), Chap. 17, p.
1893
.
16.
L.
Gagliardi
and
B.
Roos
,
Nature
433
,
848
(
2005
).
17.
V.
Vallet
,
P.
Macak
,
U.
Wahlgren
, and
I.
Grenthe
,
Theor. Chem. Acc.
115
,
145
(
2006
).
18.
S.
Tsushima
and
A.
Suzuki
,
J. Mol. Struct.: THEOCHEM
487
,
33
(
1999
).
19.
S.
Tsushima
and
A.
Suzuki
,
J. Mol. Struct.: THEOCHEM
529
,
21
(
2000
).
20.
J. P.
Blaudeau
,
S. A.
Zygmunt
,
L. A.
Curtiss
,
D. T.
Reed
, and
B. E.
Bursten
,
Chem. Phys. Lett.
310
,
347
(
1999
).
21.
B.
Siboulet
,
C.
Marsden
, and
P.
Vitorge
,
Chem. Phys.
326
,
289
(
2006
).
22.
K.
Ingram
,
L.
Jonas
,
L.
Häller
, and
N.
Kaltsoyannis
,
Dalton Trans.
2403
, (
2006
).
23.
S.
Spencer
,
L.
Gagliardi
,
N. C.
Handy
,
A. G.
Ioannou
, and
A.
Simper
,
J. Phys. Chem. A
103
,
1831
(
1999
).
24.
P. J.
Hay
,
R. L.
Martin
, and
G.
Schreckenbach
,
J. Phys. Chem. A
104
,
6259
(
2000
).
25.
S.
Tsushima
,
T.
Yang
, and
A.
Suzuki
,
Chem. Phys. Lett.
334
,
365
(
2001
).
26.
L. V.
Moskaleva
,
S.
Krüger
,
A.
Spörl
, and
N.
Rösch
,
Inorg. Chem.
43
,
4080
(
2004
).
27.
Z.
Cao
and
K.
Balasubramanian
,
J. Chem. Phys.
123
,
114309
(
2005
).
28.
M. S. K.
Fuchs
A. M.
Shor
and
N.
Rösch
,
Int. J. Quantum Chem.
86
,
487
(
2002
).
29.
G.
Shamov
and
G.
Schreckenbach
,
J. Phys. Chem. A
109
,
10961
(
2005
).
30.
E.
Sánchez Marcos
,
R. R.
Pappalardo
, and
D.
Rinaldi
,
J. Phys. Chem.
95
,
8928
(
1991
).
31.
J. M.
Martínez
,
R. R.
Pappalardo
, and
E.
Sánchez Marcos
,
J. Phys. Chem. A
101
,
4444
(
1997
).
32.
Y.
Marcus
,
Ions in Solution and Their Solvation
, 1st ed. (
John Wiley & Sons
,
2015
).
33.
P.
Guilbaud
and
G.
Wipff
,
J. Phys. Chem.
97
,
5685
(
1993
).
34.
S.
Kerisit
and
C.
Liu
,
J. Phys. Chem. A
117
,
6421
(
2013
).
35.
D.
Hagberg
,
G.
Karlström
,
B. O.
Roos
, and
L.
Gagliardi
,
J. Am. Chem. Soc.
127
,
14250
(
2005
).
36.
A.
Wallqvist
,
P.
Ahlström
, and
G.
Karlström
,
J. Phys. Chem.
94
,
1649
(
1990
).
37.
N.
Rai
,
S. P.
Tiwari
, and
E. J.
Maginn
,
J. Phys. Chem. B
116
,
10885
(
2012
).
38.
V.
Pomogaev
,
S. P.
Tiwari
,
N.
Rai
,
G. S.
Goff
,
W.
Runde
,
W. F.
Schneider
, and
E. J.
Maginn
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
15
,
15954
(
2013
).
39.
M.
Bühl
,
R.
Diss
, and
G.
Wipff
,
J. Am. Chem. Soc.
127
,
13506
(
2005
).
40.
R.
Car
and
M.
Parrinello
,
Phys. Rev. Lett.
55
,
2471
(
1985
).
41.
P.
Nichols
,
E. J.
Bylaska
,
G. K.
Schenter
, and
W.
de Jong
,
J. Chem. Phys.
128
,
124507
(
2008
).
42.
R. J.
Frick
,
T. S.
Hofer
,
A. B.
Pribil
,
B. R.
Randolf
, and
B. M.
Rode
,
J. Phys. Chem. A
113
,
12496
(
2009
).
43.
C.
Hennig
,
K.
Schmeide
,
V.
Brendler
,
H.
Moll
,
S.
Tsushima
, and
A. C.
Scheinost
,
Inorg. Chem.
46
,
5882
(
2007
).
44.
D. T.
Richens
,
The Chemistry of Aqua Ions
(
John Wiley
,
West Sussex, England
,
1997
).
45.
L.
Helm
and
A. E.
Merbach
,
Chem. Rev.
105
,
1923
(
2005
).
46.
S. P.
Tiwari
,
N.
Rai
, and
E. J.
Maginn
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
16
,
8060
(
2014
).
47.
E.
Sánchez Marcos
,
R. R.
Pappalardo
,
J. C.
Barthelat
, and
F.
Xavier Gadea
,
J. Phys. Chem.
96
,
516
(
1992
).
48.
R. R.
Pappalardo
and
E.
Sánchez Marcos
,
J. Phys. Chem.
97
,
4500
(
1993
).
49.
R. R.
Pappalardo
,
J. M.
Martínez
, and
E.
Sánchez Marcos
,
J. Phys. Chem.
100
,
11748
(
1996
).
50.
J. M.
Martínez
,
R. R.
Pappalardo
, and
E.
Sánchez Marcos
,
J. Chem. Phys.
109
,
1445
(
1998
).
51.
J. M.
Martínez
,
R. R.
Pappalardo
, and
E.
Sánchez Marcos
,
J. Am. Chem. Soc.
121
,
3175
(
1999
).
52.
P. J.
Merkling
,
A.
Muñoz-Páez
, and
E.
Sánchez Marcos
,
J. Am. Chem. Soc.
124
,
10911
(
2002
).
53.
E.
Galbis
,
J.
Hernández-Cobos
,
C.
den Auwer
,
C.
Le Naour
,
D.
Guillaumont
,
E.
Simoni
,
R. R.
Pappalardo
, and
E.
Sánchez Marcos
,
Angew. Chem.
122
,
3899
(
2010
).
54.
J. M.
Martínez
,
F.
Torrico
,
R. R.
Pappalardo
, and
E.
Sánchez Marcos
,
J. Phys. Chem. B
108
,
15851
(
2004
).
55.
F.
Torrico
,
R. R.
Pappalardo
,
E.
Sánchez Marcos
, and
J. M.
Martínez
,
Theor. Chem. Acc.
115
,
196
(
2006
).
56.
J. M.
Martínez
,
R. R.
Pappalardo
,
E.
Sánchez Marcos
,
K.
Refson
,
S.
Díaz-Moreno
, and
A.
Muñoz-Páez
,
J. Phys. Chem. B
102
,
3272
(
1998
).
57.
A. D.
Becke
,
J. Chem. Phys.
98
,
5648
(
1993
).
58.
P. J.
Stephens
,
F. J.
Devlin
,
C. F.
Chabalowski
, and
M. J.
Frisch
,
J. Phys. Chem.
98
,
11623
(
1994
).
59.
W.
Küchle
,
M.
Dolg
,
H.
Stoll
, and
J.
Preuss
,
J. Chem. Phys.
100
,
7535
(
1994
).
60.
D. E.
Woon
and
T. H.
Dunning
, Jr.
,
J. Chem. Phys.
98
,
1358
(
1993
).
61.
M. J.
Frisch
,
G. W.
Trucks
,
H. B.
Schlegel
,
G. E.
Scuseria
,
M. A.
Robb
,
J. R.
Cheeseman
,
G.
Scalmani
,
V.
Barone
,
B.
Mennucci
,
G. A.
Petersson
,
H.
Nakatsuji
,
M.
Caricato
,
X.
Li
,
H. P.
Hratchian
,
A. F.
Izmaylov
,
J.
Bloino
,
G.
Zheng
,
J. L.
Sonnenberg
,
M.
Hada
,
M.
Ehara
,
K.
Toyota
,
R.
Fukuda
,
J.
Hasegawa
,
M.
Ishida
,
T.
Nakajima
,
Y.
Honda
,
O.
Kitao
,
H.
Nakai
,
T.
Vreven
,
J. A.
Montgomery
, Jr.
,
J. E.
Peralta
,
F.
Ogliaro
,
M.
Bearpark
,
J. J.
Heyd
,
E.
Brothers
,
K. N.
Kudin
,
V. N.
Staroverov
,
R.
Kobayashi
,
J.
Normand
,
K.
Raghavachari
,
A.
Rendell
,
J. C.
Burant
,
S. S.
Iyengar
,
J.
Tomasi
,
M.
Cossi
,
N.
Rega
,
J. M.
Millam
,
M.
Klene
,
J. E.
Knox
,
J. B.
Cross
,
V.
Bakken
,
C.
Adamo
,
J.
Jaramillo
,
R.
Gomperts
,
R. E.
Stratmann
,
O.
Yazyev
,
A. J.
Austin
,
R.
Cammi
,
C.
Pomelli
,
J. W.
Ochterski
,
R. L.
Martin
,
K.
Morokuma
,
V. G.
Zakrzewski
,
G. A.
Voth
,
P.
Salvador
,
J. J.
Dannenberg
,
S.
Dapprich
,
A. D.
Daniels
,
Ö.
Farkas
,
J. B.
Foresman
,
J. V.
Ortiz
,
J.
Cioslowski
, and
D. J.
Fox
, gaussian 09, Revision D.01,
Gaussian, Inc.
,
Wallingford, CT
,
2009
.
62.
L.
Soderholm
,
S.
Skanthakumar
, and
J.
Neuefeind
,
Anal. Bioanal. Chem.
383
,
48
(
2005
).
63.
L.
Sémon
,
C.
Boeheme
,
I.
Billard
,
C.
Hennig
,
K.
Lüzenkirchen
,
T.
Reich
,
A.
Roßberg
,
I.
Rossini
, and
G.
Wipff
,
ChemPhysChem
2
,
591
(
2001
).
64.
U. C.
Singh
and
P. A.
Kollman
,
J. Comput. Chem.
5
,
129
(
1984
).
65.
B. H.
Besler
,
K. M.
Merz
, and
P. A.
Kollman
,
J. Comput. Chem.
11
,
431
(
1990
).
66.
S.
Miertus
,
E.
Scrocco
, and
J.
Tomasi
,
Chem. Phys.
55
,
117
(
1981
).
67.
B.
Mennucci
,
E.
Cancès
, and
J.
Tomasi
,
J. Phys. Chem. B
101
,
10506
(
1997
).
68.
69.
F.
Carrera
,
F.
Torrico
,
D. T.
Richens
,
A.
Muñoz-Páez
,
J. M.
Martínez
,
R. R.
Pappalardo
, and
E.
Sánchez Marcos
,
J. Phys. Chem. B
111
,
8223
(
2007
).
70.
I. T.
Todorov
,
W.
Smith
,
K.
Trachenko
, and
M. T.
Dove
,
J. Mater. Chem.
16
,
1911
(
2006
).
71.
W. L.
Jorgensen
,
J.
Chandrasekhar
,
J. D.
Madura
,
R. W.
Impey
, and
M. L.
Klein
,
J. Chem. Phys.
79
,
926
(
1983
).
72.
W. C.
Swope
,
H. C.
Andersen
,
P. H.
Berens
, and
K. R.
Wilson
,
J. Chem. Phys.
76
,
637
(
1982
).
73.
T.
Miller
,
M.
Eleftheriou
,
P.
Pattnaik
,
A.
Ndirango
,
D.
Newns
, and
G.
Martyna
,
J. Chem. Phys.
116
,
8649
(
2002
).
74.
J. K.
Gibson
,
R. G.
Haire
,
M.
Santos
,
J.
Maralo
, and
A.
Pires de Matos
,
J. Phys. Chem. A
109
,
2768
(
2005
).
75.
Y.
Marcus
and
A.
Loewenschuss
,
J. Chem. Soc., Faraday Trans. 1
82
,
2873
(
1986
).
76.
L. V.
Moskaleva
,
A. V.
Matveev
,
S.
Krüger
, and
N.
Rösch
,
Chem. - Eur. J.
12
,
629
(
2006
).
77.
M.
Bühl
,
H.
Kabrede
,
R.
Diis
, and
G.
Wipff
,
J. Am. Chem. Soc.
128
,
6357
(
2006
).
78.
P.
Allen
,
J.
Bucher
,
D.
Shuh
,
N.
Edelstein
, and
T.
Reich
,
Inorg. Chem.
36
,
4676
(
1997
).
79.
P.
Guilbaud
and
G.
Wipff
,
J. Mol. Struct.: THEOCHEM
366
,
55
(
1996
).
80.
K. E.
Gutowski
and
D. A.
Dixon
,
J. Phys. Chem. A
110
,
8840
(
2006
).
81.
A.
Melchior
,
J. M.
Martínez
,
R. R.
Pappalardo
, and
E.
Sánchez Marcos
,
J. Chem. Theory Comput.
9
,
4562
(
2013
).
82.
E. C.
Beret
,
J. M.
Martínez
,
R. R.
Pappalardo
,
E.
Sánchez Marcos
,
N. L.
Doltsinis
, and
D.
Marx
,
J. Chem. Theory Comput.
4
,
2108
(
2008
).
83.
A.
Luzar
and
D.
Chandler
,
Phys. Rev. Lett.
76
,
928
(
1996
).
84.
85.
E. I.
Martín
,
J. M.
Martínez
, and
E.
Sánchez Marcos
,
J. Chem. Phys.
143
,
044502
(
2015
).
86.
R.
Impey
,
P.
Madden
, and
I.
McDonald
,
J. Phys. Chem.
87
,
5071
(
1983
).
87.
A. E.
García
and
L.
Stiller
,
J. Comput. Chem.
14
,
1396
(
1993
).
88.
I.-C.
Yeh
and
G.
Hummer
,
J. Phys. Chem. B
108
,
15873
(
2004
).
89.
J.-P.
Simonin
,
I.
Billard
,
H.
Hendrawan
,
O.
Bernard
,
K.
Lützenkirchen
, and
L.
Sémon
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
5
,
520
(
2003
).
90.
D.
Kern
and
E.
Orlemann
,
J. Am. Chem. Soc.
71
,
2102
(
1949
).
91.
M.
Chopra
and
N.
Choudhury
,
J. Phys. Chem. B
118
,
14373
(
2014
).
92.
R. J. H.
Clark
and
R. E.
Hester
,
Advances in Infrared and Raman Spectroscopy
(
Hayden
,
1983
), Chap. 6.
93.
M.
Gál
,
P.
Goggin
, and
J.
Mink
,
Spectrochim. Acta, Part A
48
,
121
(
1992
).
94.
C.
Tait
, in
Symposium of Heavy Element Complexes, 217th ACS National Meeting
,
Anaheim, CA
,
1999
.
95.
D.
Koningsberger
and
R.
Prins
,
X-Ray Absorption: Principles, Applications, Techniques of EXAFS, SEXAFS, and XANES
(
John Wiley and Sons
,
New York, NY
,
1988
).
96.
M. A.
Denecke
,
Coord. Chem. Rev.
250
,
730
(
2006
).
97.
A.
Filipponi
,
P.
D’Angelo
,
N. V.
Pavel
, and
A.
Di Cicco
,
Chem. Phys. Lett.
225
,
150
(
1994
).
98.
B. J.
Palmer
,
D. M.
Pfund
, and
J. L.
Fulton
,
J. Phys. Chem.
100
,
13393
(
1996
).
99.
A. L.
Ankudinov
,
A. I.
Nesvizhskii
, and
J. J.
Rehr
,
Phys. Rev. B
67
,
115120
(
2003
).

Supplementary Material

You do not currently have access to this content.