Investigation of Potential Energy Surfaces of Reaction Systems Containing Ethylene, Hydrogen, and Oxygen Atoms by Quantum Chemical Calculations

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

In order to study the potential energy surfaces (PESs) of systems containing ethylene, hydrogen, and oxygen atoms, quantum chemical calculations are carried out using the hybrid B3LYP method of the density functional theory (DFT) and the composite CBS-QB3 method. An enthalpy diagram reflecting the PES of this reaction system is constructed. It is shown that the addition of a hydrogen atom to ethylene with the formation of an ethyl radical occurs through the formation of a van der Waals complex. The diagram of enthalpies of monomolecular reactions of decomposition and isomerization of the ethoxyl radical is presented in detail, and a conclusion is made about the probability of their occurrence. The global PES minimum of the system describing the sequential addition of hydrogen and oxygen atoms to ethylene is the hydroxyethyl radical. Intermediates CHCH2OH and CH2OCH2 are localized on the PES of the C2H4 + O system and possible pathways for their further transformation are analyzed. The data obtained make it possible to estimate the ranking of individual elementary reactions in the processes of combustion and oxidation of hydrocarbons and the probabilities of various directions for the transformation of chemical species in the studied systems

About the authors

A. G. Davtyan

Nalbandyan Institute of Chemical Physics, National Academy of Sciences of the Republic of Armenia

Email: arsentiev53@mail.ru
0014, Yerevan, Republic of Armenia

Z. O. Manukyan

Nalbandyan Institute of Chemical Physics, National Academy of Sciences of the Republic of Armenia

Email: arsentiev53@mail.ru
0014, Yerevan, Republic of Armenia

S. D. Arsentev

Nalbandyan Institute of Chemical Physics, National Academy of Sciences of the Republic of Armenia

Email: arsentiev53@mail.ru
0014, Yerevan, Republic of Armenia

L. A. Tavadyan

Nalbandyan Institute of Chemical Physics, National Academy of Sciences of the Republic of Armenia

Email: arsentiev53@mail.ru
0014, Yerevan, Republic of Armenia

V. S. Arutyunov

Semenov Federal Research Center for Chemical Physics, Russian Academy of Sciences

Author for correspondence.
Email: arsentiev53@mail.ru
Moscow, Russia

References

  1. Ushakova A., Zatsepin V., Varfolomeev M., Emelyanov D. // J. Combust. 2017. V. 2017. Article 2526596; https://doi.org/10.1155/2017/2526596
  2. Манташян А.А. // Хим. физика. 2021. Т. 40. № 4. С. 18; https://doi.org/10.31857/S0207401X21040105
  3. Pogosyan N.M., Pogosyan M.Dj., Arsentiev S.D., Tavadyan L.A., Strekova L.N., Arutyunov V.S. // Pet. Chem. 2020. V. 60. № 3. P. 316; https://doi.org/10.1134/S0965544120030172
  4. Grigoryan R.R., Arsentev S.D. // Pet. Chem. 2020. V. 60. № 2. P. 187; https://doi.org/10.1134/S096554412002005X
  5. Погосян Н.М., Погосян М.Дж., Стрекова Л.Н., Тавадян Л.А., Арутюнов В.С. // Хим. физика. 2015. Т. 34. № 3. С. 35; https://doi.org/10.7868/S0207401X15030103
  6. Паланкоева А.С., Беляев А.А., Арутюнов В.С. // Хим. физика. 2022. Т. 41. № 6. С. 7.
  7. Арсентьев С.Д., Тавадян Л.А., Брюков М.Г., Паланкоева А.С., Беляев А.А., Арутюнов В.С. // Хим. физика. 2022. Т. 41. № 11. С. 3.
  8. Волохов В.М., Зюбина Т.С., Волохов А.В., Амосова Е.С., Варламов Д.А. и др. // Хим. физика. 2021. Т. 40. № 1. С. 3; https://doi.org/10.31857/S0207401X21010131
  9. Becke A.D. // Phys. Rev. A. 1988. V. 38. P. 3098; https://doi.org/10.1103/PhysRevA.38.3098
  10. Becke A.D. // J. Chem. Phys. 1993. V. 98. P. 5648; https://doi.org/10.1063/1.464913
  11. Lee C., Yang W., Parr R.G. // Phys. Rev. B. 1988. V. 37. P. 785; https://doi.org/10.1103/PhysRevB.37.785
  12. Montgomery Jr.J.A., Frisch M.J., Ochterski J.W., Petersson G.A. // J. Chem. Phys. 1999. V. 110. № 6. P. 2822; https://doi.org/10.1063/1.477924
  13. Nyden M.R., Petersson G.A. // Ibid. 1981. V. 75. № 4. P. 1843; https://doi.org/10.1063/1.442208
  14. Petersson G.A., Al-Laham M.A. // Ibid. 1991. V. 94. № 9. P. 6081; https://doi.org/10.1063/1.460447
  15. Petersson G.A., Tensfeldt T.G., Montgomery J.A. // Ibid. P. 6091; https://doi.org/10.1063/1.460448
  16. Petersson G.A., Malick D.K., Wilson W.G., Ochterski J.W., Montgomery J.A., Frisch M.J. // Ibid. 1998. V. 109. № 24. P. 10570; https://doi.org/10.1063/1.477794
  17. Montgomery Jr.J.A., Frisch M.J., Ochterski J.W., Petersson G.A. // Ibid. 2000. V. 112. № 15. P. 6532; https://doi.org/10.1063/1.481224
  18. Arsentev S.D., Mantashyan A.A. // React. Kinet. Catal. Lett. 1980. V. 13. № 2. P. 125; https://doi.org/10.1007/BF02074183
  19. Mantashyan A.A., Khachatryan L.A., Niazyan O.M., Arsentev S.D. // Combustion and Flame. 1981. V. 43. P. 221; https://doi.org/10.1016/0010-2180(81)90022-5
  20. Манташян А.А., Едигарян Н.Г., Хачатрян Л.А., Арсентьев С.Д. // Химия высоких энергий. 1989. Т. 23. № 1. С. 63.
  21. Yang K. // J. Amer. Chem. Soc. 1962. V. 84. № 5. P. 719; https://doi.org/10.1021/JA00864A007
  22. Азатян В.В., Налбандян А.Б., Цуй М.-Ю. // Докл. АН СССР. 1963. Т. 149. № 5. С. 1095.
  23. Jones W.E., Macknight S.D., Teng L. // Chem. Rev. 1973. V. 73. № 5. P. 407; https://doi.org/10.1021/CR60285A001
  24. Dupuis M., Wendoloski J.J., Takada T., Lester Jr.W.A. // J. Chem. Phys. 1982. V. 76. № 1. P. 481; https://doi.org/10.1063/1.442748
  25. Fueno T., Takahara Y., Yamaguchi K. // Chem. Phys. Lett. 1990. V. 167. № 4. P. 291; https://doi.org/10.1016/0009-2614(90)87170-V
  26. Smith B.J., Nguyen M.T., Bouma W.J., Radom L. // J. Amer. Chem. Soc. 1991. V. 113. P. 6452; https://doi.org/10.1021/ja00017a015
  27. Jursic B.S. // THEOCHEM. 1999. V. 492. № 1–3. P. 85; https://doi.org/10.1016/S0166-1280(99)00123-2
  28. West A.C., Kretchmer J.S., Sellner B., Park K., Hase W.L. et al. // J. Phys. Chem. A. 2009. V. 113. № 45. P. 12663; https://doi.org/10.1021/jp905070z
  29. Wortmann-Saleh D., Engels B., Peyerimhoff S.D. // J. Phys. Chem. 1994. V. 98. № 38. P. 9541; https://doi.org/10.1021/J100089A029
  30. West A.C., Lynch J.D., Sellner B., Lischka H., Hase W.L. et al. // Theor. Chem. Acc. 2012. V. 131. Article 1123; https://doi.org/10.1007/s00214-012-1123-0
  31. West A.C., Lynch J.D., Sellner B., Lischka H., Hase W.L. et al. // Ibid. Article 1279; https://doi.org/10.1007/s00214-012-1279-7
  32. Westleyn F., Heron J.T., Cvetanovic R.J., Hampson R.F., Mallard W.G. NIST Standard Reference Database 17, Version 3.0. Gaithersburg, MD, USA National Institute of Standards and Technology, 1991.
  33. Frisch M.J., Trucks G.W., Schlegel H.B., Scuseria G.E., Robb M.A., Cheeseman, J.R., Scalmani G., Barone V., Petersson G.A., Nakatsuji H., Li X., Caricato M., Marenich A.V., Bloino J., Janesko B.G., Gomperts R., Mennucci B., Hratchian H.P., Ortiz J.V., Izmaylov A.F., Sonnenberg J.L., Williams-Young D., Ding F., Lipparini F., Egidi F., Goings J., Peng B., Petrone A., Henderson T., Ranasinghe D., Zakrzewski V.G., Gao J., Rega N., Zheng G., Liang W., Hada M., Ehara M., Toyota K., Fukuda R., Hasegawa J., Ishida M., Nakajima T., Honda Y., Kitao O., Nakai H., Vreven T., Throssell K., Montgomery J.A. Jr., Peralta J.E., Ogliaro F., Bearpark M.J., Heyd J.J., Brothers E.N., Kudin K.N., Staroverov V.N., Keith T.A., Kobayashi R., Normand J., Raghavachari K., Rendell A.P., Burant J.C., Iyengar S.S., Tomasi J., Cossi M., Millam J.M., Klene M., Adamo C., Cammi R., Ochterski J.W., Martin R.L., Morokuma K., Farkas O., Foresman J.B., Fox D.J. Gaussian 16, Revision C.01. Wallingford. CT: Gaussian, Inc., 2016.
  34. Dennington R., Keith T.A., Millam J.M. GaussView, Version 6.1. Shawnee Mission, KS: Semichem Inc., 2019.
  35. Asatryan R., Davtyan A., Khachatryan L., Dellinger B. // J. Phys. Chem. A. 2005. V. 109. P. 11198; https://doi.org/10.1021/jp053047l
  36. Asatryan R.S., Davtyan A.H., Khachatryan L.A., Dellinger B. // Organohalogen Compd. 2002. V. 56. P. 277.
  37. Jursic. B.S. // J. Chem. Soc., Perkin Trans. 2. 1997. V. 2. Issue 3. P. 637; https://doi.org/10.1039/A603269I
  38. Peng C., Ayala P.Y., Schlegel H.B., Frisch M.J. // J. Comput. Chem. 1996. V. 17. № 1. P. 49; https://doi.org/10.1002/(SICI)1096-987X(19960115)17: 1<49::AID-JCC5>3.0.CO;2-0
  39. Peng C., Schlegel H.B. // Isr. J. Chem. 1993. V. 33. P. 449; https://doi.org/10.1002/IJCH.199300051
  40. Agarwal J., Turney J.M., Schaefer H.F. // J. Phys. Chem. Lett. 2011. V. 2. № 20. P. 2587; https://doi.org/10.1021/jz201124j
  41. Schlegel H.B., Bhalla K.C., Hase W.L. // J. Phys. Chem. 1982. V. 86. № 25. P. 4883; https://doi.org/10.1021/J100222A010
  42. Feng Y., Niiranen J.T., Benosura A., Knyazev V.D., Gutman D. et al. // Ibid. 1993. V. 97. P. 871.
  43. Hase W.L., Schlegel H.B., Balbyshev V., Page M. // Ibid. 1996. V. 100. № 13. P. 5354; https://doi.org/10.1021/jp9528875
  44. Hase W.L., Schlegel H.B. // Ibid. 1982. V. 100. P. 5354; https://doi.org/10.1021/JP9528875
  45. Jones W.E., Macknight S.D., Teng L. // Chem. Rev. 1973. V. 73. № 5. P. 407; https://doi.org/10.1021/CR60285A001
  46. Franklin J.L., Dillard J.G., Rosenstock H.M., Herron J.T., Draxl K., Field F.H. Ionisation potentials, appearance potentials, and heats of formation of gaseous positive ions (NSRDS–NRS26). Washington: US National Bur. eau of Standards, 1969.
  47. Ruscic B., Pinzon R.E., Morton M.L., Srinivasan N.K., Su M.-C. et al. // J. Phys. Chem. A. 2006. V. 110. № 21. P. 6592; https://doi.org/10.1021/JP056311J
  48. Berkowitz J., Ellison G.B., Gutman D. // J. Phys. Chem. 1994. V. 98. № 11. P. 2744; https://doi.org/10.1021/j100062a009
  49. Ruscic B., Boggs J.E., Burcat A. et al. // J. Phys. Chem. Ref. Data. 2005. V. 34. № 2. P. 573; https://doi.org/10.1063/1.1724828
  50. Golden D.M. // J. Phys. Chem. A. 2012. V. 116. № 17. P. 4259; https://doi.org/10.1021/jp302009t
  51. http://c3.nuigalway.ie/combustionchemistrycentre/mechanismdownloads/
  52. Nguyen T.L., Vereecken L., Hou X.J., Nguyen M.T., Peeters J. // J. Phys. Chem. A. 2005. V. 109. № 33. P. 7489; https://doi.org/10.1021/JP052970K
  53. Knyazev V.D., Arutyunov V.S., Vedeneev V.I. // Intern. J. Chem. Kinet. 1992. V. 24. № 6. P. 545; https://doi.org/10.1002/KIN.550240605
  54. Li X., Jasper A.W., Zádor J., Miller J.A., Klippenstein S.J. // Proc. Combust. Inst. 2016. V. 36. № 1. P. 219; https://doi.org/10.1016/j.proci.2016.06.053
  55. Fu B., Han Y.C., Bowman J.M., Leonori F., Balucani N. et al. // J. Chem. Phys. 2012. V. 137. № 22. P. 22A532; https://doi.org/10.1063/1.4746758
  56. Hu W., Lendvay G., Maiti B., Schatz G.C. // J. Phys. Chem. A. 2008. V. 112. № 10. P. 2093; https://doi.org/10.1021/jp076716z

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2.

Download (91KB)
Indexing metadata
3.

Download (97KB)
Indexing metadata
4.

Download (162KB)
Indexing metadata
5.

Download (184KB)
Indexing metadata
6.

Download (170KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2023 А.Г. Давтян, З.О. Манукян, С.Д. Арсентьев, Л.А. Тавадян, В.С. Арутюнов

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».