Modeling of the observational spectra of H3O+ allows for a detailed understanding of the interstellar oxygen chemistry. While its spectroscopy was intensively studied earlier, our knowledge about the collision of H3O+ with the abundant colliders in the interstellar medium is rather limited. In order to treat these collisional excitation processes, it is first necessary to calculate the potential energy surface (PES) of the interacting species. We have computed the five-dimensional rigid-rotor PES of the H3O+–H2 system from the explicitly correlated coupled-cluster theory at the level of singles and doubles with perturbative corrections for triple excitations [CCSD(T)-F12] with the moderate-size augmented correlation-consistent valence triple zeta (aug-cc-pVTZ) basis set. The well depth of the PES is found to be rather large, about 1887.2 cm−1. The ab initio potential was fitted over an angular expansion in order to effectively use it in quantum scattering codes. As a first application, we computed dissociation energies for the different nuclear spin isomers of the H3O+–H2 complex.

1.
T. G.
Phillips
,
E. F.
van Dishoeck
, and
J.
Keene
,
Astrophys. J.
399
,
533
(
1992
).
2.
E.
González-Alfonso
,
J.
Fischer
,
S.
Bruderer
,
H. S. P.
Müller
,
J.
Graciá-Carpio
,
E.
Sturm
,
D.
Lutz
,
A.
Poglitsch
,
H.
Feuchtgruber
,
S.
Veilleux
,
A.
Contursi
,
A.
Sternberg
,
S.
Hailey-Dunsheath
,
A.
Verma
,
N.
Christopher
,
R.
Davies
,
R.
Genzel
, and
L.
Tacconi
,
Astron. Astrophys.
550
,
A25
(
2013
); arXiv:1211.5064 [astro-ph.GA].
3.
A. R.
Offer
and
M. C.
van Hemert
,
Chem. Phys.
163
,
83
89
(
1992
).
4.
D.
Hollenbach
,
M. J.
Kaufman
,
D.
Neufeld
,
M.
Wolfire
, and
J. R.
Goicoechea
,
Astrophys. J.
754
,
105
(
2012
).
5.
F. F. S.
van der Tak
,
S.
Aalto
, and
R.
Meijerink
,
Astron. Astrophys.
477
,
L5
L8
(
2008
).
6.
J. R.
Goicoechea
and
J.
Cernicharo
,
Astrophys. J.
554
,
L213
L216
(
2001
).
7.
M.
Gerin
,
M.
De Luca
,
J.
Black
,
J. R.
Goicoechea
,
E.
Herbst
,
D. A.
Neufeld
,
E.
Falgarone
,
B.
Godard
,
J. C.
Pearson
,
D. C.
Lis
,
T. G.
Phillips
,
T. A.
Bell
,
P.
Sonnentrucker
,
F.
Boulanger
,
J.
Cernicharo
,
A.
Coutens
,
E.
Dartois
,
P.
Encrenaz
,
T.
Giesen
,
P. F.
Goldsmith
,
H.
Gupta
,
C.
Gry
,
P.
Hennebelle
,
P.
Hily-Blant
,
C.
Joblin
,
M.
Kazmierczak
,
R.
Kolos
,
J.
Krelowski
,
J.
Martin-Pintado
,
R.
Monje
,
B.
Mookerjea
,
M.
Perault
,
C.
Persson
,
R.
Plume
,
P. B.
Rimmer
,
M.
Salez
,
M.
Schmidt
,
J.
Stutzki
,
D.
Teyssier
,
C.
Vastel
,
S.
Yu
,
A.
Contursi
,
K.
Menten
,
T.
Geballe
,
S.
Schlemmer
,
R.
Shipman
,
A. G.
Tielens
,
S.
Philipp-May
,
A.
Cros
,
J.
Zmuidzinas
,
L. A.
Samoska
,
K.
Klein
, and
A.
Lorenzani
,
Astron. Astrophys.
518
,
L110
(
2010
).
8.
E.
Herbst
and
W.
Klemperer
,
Astrophys. J.
185
,
505
533
(
1973
).
9.
A.
Sternberg
and
A.
Dalgarno
,
Astrophys. J., Suppl. Ser.
99
,
565
(
1995
); http://articles.adsabs.harvard.edu/pdf/1995ApJS...99..565S.
10.
L.
Vejby-Christensen
,
L. H.
Andersen
,
O.
Heber
,
D.
Kella
,
H. B.
Pedersen
,
H. T.
Schmidt
, and
D.
Zajfman
,
Astrophys. J.
483
,
531
540
(
1997
).
11.
M. J.
Jensen
,
R. C.
Bilodeau
,
C. P.
Safvan
,
K.
Seiersen
,
L. H.
Andersen
,
H. B.
Pedersen
, and
O.
Heber
,
Astrophys. J.
543
,
764
774
(
2000
).
12.
V.
Zhaunerchyk
,
W. D.
Geppert
,
S.
Rosén
,
E.
Vigren
,
M.
Hamberg
,
M.
Kamińska
,
I.
Kashperka
,
M.
Af Ugglas
,
J.
Semaniak
,
M.
Larsson
, and
R. D.
Thomas
,
J. Chem. Phys.
130
,
214302
(
2009
).
13.
S.
Yu
,
B. J.
Drouin
,
J. C.
Pearson
, and
H. M.
Pickett
,
Astrophys. J., Suppl. Ser.
180
,
119
124
(
2009
).
14.
Q.
Yu
and
J. M.
Bowman
,
J. Chem. Theory Comput.
12
,
5284
5292
(
2016
).
15.
J. E.
Mann
,
Z.
Xie
,
J. D.
Savee
,
J. M.
Bowman
, and
R. E.
Continetti
,
J. Phys. Chem. A
117
,
7256
7266
(
2013
).
16.
C.
Domesle
,
S.
Dziarzhytski
,
N.
Guerassimova
,
L. S.
Harbo
,
O.
Heber
,
L.
Lammich
,
B.
Jordon-Thaden
,
R.
Treusch
,
A.
Wolf
, and
H. B.
Pedersen
,
Phys. Rev. A
88
,
043405
(
2013
).
17.
H. B.
Pedersen
,
S.
Altevogt
,
B.
Jordon-Thaden
,
O.
Heber
,
L.
Lammich
,
M. L.
Rappaport
,
D.
Schwalm
,
J.
Ullrich
,
D.
Zajfman
,
R.
Treusch
,
N.
Guerassimova
,
M.
Martins
, and
A.
Wolf
,
Phys. Rev. A
80
,
012707
(
2009
).
18.
V.
Špirko
and
W. P.
Kraemer
,
J. Mol. Spectrosc.
134
,
72
81
(
1989
).
19.
X.
Huang
,
S.
Carter
, and
J. M.
Bowman
,
J. Phys. Chem. B
106
,
8182
8188
(
2002
).
20.
A.
Neau
,
A.
Al Khalili
,
S.
Rosén
,
A.
Le Padellec
,
A. M.
Derkatch
,
W.
Shi
,
L.
Vikor
,
M.
Larsson
,
J.
Semaniak
,
R.
Thomas
,
M. B.
Någård
,
K.
Andersson
,
H.
Danared
, and
M.
Af Ugglas
,
J. Chem. Phys.
113
,
1762
1770
(
2000
).
21.
H.
El Hanini
,
F.
Najar
,
M.
Naouai
, and
N.-E.
Jaidane
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
21
,
11705
11713
(
2019
).
22.
Gas-Phase Chemistry in Space
, edited by
F.
Lique
and
A.
Faure
(
IOP Publishing
,
2019
), pp.
2514
3433
.
23.
A.
Faure
and
J.
Tennyson
,
Mon. Not. R. Astron. Soc.
340
,
468
472
(
2003
).
24.
S. F.
Boys
and
F.
Bernardi
,
Mol. Phys.
19
,
553
566
(
1970
).
25.
N.
Bouhafs
,
C.
Rist
,
F.
Daniel
,
F.
Dumouchel
,
F.
Lique
,
L.
Wiesenfeld
, and
A.
Faure
,
Mon. Not. R. Astron. Soc.
470
,
2204
2211
(
2017
); arXiv:1706.00732.
26.
E.
Roueff
and
F.
Lique
,
Chem. Rev.
113
,
8906
8938
(
2013
); arXiv:1310.8259.
27.
S.
Green
,
J. Chem. Phys.
73
,
2740
2750
(
1980
).
28.
S.
Maret
,
A.
Faure
,
E.
Scifoni
, and
L.
Wiesenfeld
,
Mon. Not. R. Astron. Soc.
399
,
425
431
(
2009
).
29.
P.
Valiron
,
M.
Wernli
,
A.
Faure
,
L.
Wiesenfeld
,
C.
Rist
,
S.
Kedžuch
, and
J.
Noga
,
J. Chem. Phys.
129
,
134306
(
2008
).
30.
S.
Bubin
and
L.
Adamowicz
,
J. Chem. Phys.
118
,
3079
3082
(
2003
).
31.
J.
Tang
and
T.
Oka
,
J. Mol. Spectrosc.
196
,
120
130
(
1999
).
32.
H.-J.
Werner
,
P. J.
Knowles
,
G.
Knizia
,
F. R.
Manby
,
M.
Schütz
 et al, Molpro, version 2015.1, a package of ab initio programs,
2015
.
33.
H.-J.
Werner
,
P. J.
Knowles
,
G.
Knizia
,
F. R.
Manby
, and
M.
Schütz
,
Wiley Interdiscip. Rev.: Comput. Mol. Sci.
2
,
242
253
(
2012
).
34.
M. J.
Frisch
,
G. W.
Trucks
,
H. B.
Schlegel
,
G. E.
Scuseria
,
M. A.
Robb
 et al, Gaussian 09, Revision E.1,
Gaussian, Inc.
Wallingford, CT
,
2009
.
35.
K. A.
Peterson
,
D. E.
Woon
, and
T. H.
Dunning
,
J. Chem. Phys.
100
,
7410
7415
(
1994
).
36.
M. H.
Alexander
,
D. E.
Manolopoulos
,
H.-J.
Werner
,
B.
Follmeg
,
P. F.
Vohralik
, with contributions by
D.
Lemoine
,
G.
Corey
,
T.
Johnson
,
B.
Orlikowski
,
A.
Berning
,
A.
Degli-Esposti
,
C.
Rist
,
P.
Dagdigian
,
B.
Pouilly
,
G.
van der Sanden
,
M.
Yang
,
F.
de Weerd
,
S.
Gregurick
,
J.
Klos
, and
F.
Lique
, HIBRIDON is a package of programs for the time-independent quantum treatment of inelastic collisions and photodissociation.
37.
C.
Rist
,
M. H.
Alexander
, and
P.
Valiron
,
J. Chem. Phys.
98
,
4662
4671
(
1993
).
38.
C.
Rist
and
A.
Faure
,
J. Math. Chem.
50
,
588
601
(
2012
).
39.
Q.
Ma
,
J.
Kłos
,
M. H.
Alexander
,
A.
van der Avoird
, and
P. J.
Dagdigian
,
J. Chem. Phys.
141
,
174309
(
2014
).
40.
I. P.
Hamilton
and
J. C.
Light
,
J. Chem. Phys.
84
,
306
317
(
1986
).
41.
L. A.
Surin
,
I. V.
Tarabukin
,
S.
Schlemmer
,
A. A.
Breier
,
T. F.
Giesen
,
M. C.
McCarthy
, and
A. v. d.
Avoird
,
Astrophys. J.
838
,
27
(
2017
).
42.
Q.
Ma
,
A.
van der Avoird
,
J.
Loreau
,
M. H.
Alexander
,
S. Y.
Van De Meerakker
, and
P. J.
Dagdigian
,
J. Chem. Phys.
143
,
044312
(
2015
).
43.
J.
Kłos
,
Q.
Ma
,
M. H.
Alexander
, and
P. J.
Dagdigian
,
J. Chem. Phys.
146
,
114301
(
2017
).
44.
K. P.
Huber
and
G.
Herzberg
, “
Constants of diatomic molecules
,” in
Molecular Spectra and Molecular Structure
(
Springer US
,
Boston, MA
,
1979
), pp.
8
689
.
45.
D.
Smith
and
N. G.
Adams
,
Astrophys. J.
217
,
741
748
(
1977
).
46.
S. W.
Englander
,
N. W.
Downer
, and
H.
Teitelbaum
,
Annu. Rev. Biochem.
41
,
903
924
(
1972
).
47.
J. K.
Kim
,
L. P.
Theard
, and
W. T.
Huntress
, Jr.
,
J. Chem. Phys.
62
,
45
52
(
1975
).
48.
T. J.
Lee
and
P. R.
Taylor
,
Int. J. Quantum Chem.
36
,
199
207
(
1989
).
49.
W.
Jiang
,
N. J.
Deyonker
, and
A. K.
Wilson
,
J. Chem. Theory Comput.
8
,
460
468
(
2012
).
50.
T. J.
Lee
,
Chem. Phys. Lett.
372
,
362
367
(
2003
).
51.
T. R.
Phillips
,
S.
Maluendes
,
A. D.
McLean
, and
S.
Green
,
J. Chem. Phys.
101
,
5824
5830
(
1994
).

Supplementary Material

You do not currently have access to this content.