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Die Paarverteilungsfunktion beschreibt eine örtlich begrenzte Ordnung in einer Mischung. Die Paarverteilungsfunktion der Bestandteile <math>i</math> und <math>j</math> in <math>\boldsymbol{r}_i</math> bzw. <math>\boldsymbol{r} | Die Paarverteilungsfunktion beschreibt eine örtlich begrenzte Ordnung in einer Mischung. Die Paarverteilungsfunktion der Bestandteile <math>i</math> und <math>j</math> in <math>\boldsymbol{r}_i</math> bzw. <math>\boldsymbol{r}_j</math> ist folgendermaßen definiert: | ||
: <math>g_{ij}(\boldsymbol{R})=\frac{\rho_{ij}(\boldsymbol{R})}{\rho_{ij}^\text{bulk}}</math> | : <math>g_{ij}(\boldsymbol{R})=\frac{\rho_{ij}(\boldsymbol{R})}{\rho_{ij}^\text{bulk}}</math> | ||
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: <math> \Gamma_W=M_W\left(G_{WS}-G_{CS}\right)</math> | : <math> \Gamma_W=M_W\left(G_{WS}-G_{CS}\right)</math> | ||
mit der [[Molarität]] des Wassers <math>M_W</math> und W, S | mit der [[Molarität]] des Wassers <math>M_W</math> und <math>W, S</math> und <math>C</math> als Wasser, Solut und Cosolut. | ||
Im allgemeinsten Fall ist die bevorzugte [[Hydratation]] eine Funktion des KBI des Soluts mit sowohl dem Lösungsmittel als auch dem Cosolut. Unter einigen Annahmen<ref name="COCIS2015">{{cite journal|author=L. Sapir, D. Harries|title=Is the depletion force entropic? Molecular crowding beyond steric interactions.|journal=Curr. Opin. Coll. Int. Sci.|year=2015|volume=20|pages=3–10|doi=10.1016/j.cocis.2014.12.003}}</ref> und in verschiedenen Anwendungsbeispielen<ref name="Shimizu2014">{{cite journal|author=S. Shimizu, N. Matubayasi|title=Preferential Solvation: Dividing Surface vs Excess Numbers.|journal=J. Phys. Chem. B.|year=2014|volume=118|pages=3922–3930|doi=10.1021/jp410567c}}</ref> vereinfacht sich die Gleichung zu: | Im allgemeinsten Fall ist die bevorzugte [[Hydratation]] eine Funktion des KBI des Soluts mit sowohl dem Lösungsmittel als auch dem Cosolut. Unter einigen Annahmen<ref name="COCIS2015">{{cite journal|author=L. Sapir, D. Harries|title=Is the depletion force entropic? Molecular crowding beyond steric interactions.|journal=Curr. Opin. Coll. Int. Sci.|year=2015|volume=20|pages=3–10|doi=10.1016/j.cocis.2014.12.003}}</ref> und in verschiedenen Anwendungsbeispielen<ref name="Shimizu2014">{{cite journal|author=S. Shimizu, N. Matubayasi|title=Preferential Solvation: Dividing Surface vs Excess Numbers.|journal=J. Phys. Chem. B.|year=2014|volume=118|pages=3922–3930|doi=10.1021/jp410567c}}</ref> vereinfacht sich die Gleichung zu: | ||
Die Kirkwood-Buff-Theorie (KB-Theorie) ist eine Theorie der Lösung von Molekülen. Sie verbindet makroskopische Stoffeigenschaften mit molekularen.
Die Kirkwood-Buff-Theorie verwendet Methoden der statistischen Mechanik zur Berechnung thermodynamischer Mengen aus Paarverteilungsfunktionen zwischen allen Molekülen in einer Mehrkomponentenlösung.[1] Die KB-Theorie kann zur Validierung molekularer Modellierungen und zur Aufklärung des Mechanismus verschiedener physikalischer Vorgänge verwendet werden.[2][3][4] Weiterhin wird die KB-Theorie bei verschiedenen biologischen Fragestellungen angewendet.[5]
Zur KB-Theorie wurde eine Umkehrung entwickelt, die reverse KB-Theorie, bei der molekulare Eigenschaften aus thermodynamischen Messungen bestimmt werden können.[6][7]
Die Paarverteilungsfunktion beschreibt eine örtlich begrenzte Ordnung in einer Mischung. Die Paarverteilungsfunktion der Bestandteile Fehler beim Parsen (MathML mit SVG- oder PNG-Rückgriff (empfohlen für moderne Browser und Barrierefreiheitswerkzeuge): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://wikimedia.org/api/rest_v1/“:): i und Fehler beim Parsen (MathML mit SVG- oder PNG-Rückgriff (empfohlen für moderne Browser und Barrierefreiheitswerkzeuge): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://wikimedia.org/api/rest_v1/“:): j in Fehler beim Parsen (MathML mit SVG- oder PNG-Rückgriff (empfohlen für moderne Browser und Barrierefreiheitswerkzeuge): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://wikimedia.org/api/rest_v1/“:): \boldsymbol{r}_i bzw. Fehler beim Parsen (MathML mit SVG- oder PNG-Rückgriff (empfohlen für moderne Browser und Barrierefreiheitswerkzeuge): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://wikimedia.org/api/rest_v1/“:): \boldsymbol{r}_j ist folgendermaßen definiert:
mit der lokalen Dichte Fehler beim Parsen (MathML mit SVG- oder PNG-Rückgriff (empfohlen für moderne Browser und Barrierefreiheitswerkzeuge): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://wikimedia.org/api/rest_v1/“:): \rho_{ij} (\boldsymbol{R}) der Komponenten Fehler beim Parsen (MathML mit SVG- oder PNG-Rückgriff (empfohlen für moderne Browser und Barrierefreiheitswerkzeuge): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://wikimedia.org/api/rest_v1/“:): j im Vergleich zur Komponente $ i $, der Dichte Fehler beim Parsen (MathML mit SVG- oder PNG-Rückgriff (empfohlen für moderne Browser und Barrierefreiheitswerkzeuge): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://wikimedia.org/api/rest_v1/“:): \rho_{ij}^\text{bulk} der Komponente Fehler beim Parsen (MathML mit SVG- oder PNG-Rückgriff (empfohlen für moderne Browser und Barrierefreiheitswerkzeuge): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://wikimedia.org/api/rest_v1/“:): j und dem Radiusvektor zwischen Molekülen Fehler beim Parsen (MathML mit SVG- oder PNG-Rückgriff (empfohlen für moderne Browser und Barrierefreiheitswerkzeuge): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://wikimedia.org/api/rest_v1/“:): \boldsymbol{R}= |\boldsymbol{r}_i-\boldsymbol{r}_j| . Daraus folgt:
Unter der Annahme einer kugelförmigen Symmetrie vereinfacht sich die Funktion zu:
mit dem Abstand $ r=|{\boldsymbol {R}}| $ zwischen zwei Molekülen.
Die Freie Energie wird gelegentlich zur weiteren Beschreibung der Wechselbeziehungen der Moleküle bestimmt. Das Potential mittlerer Kraft zwischen zwei Komponenten steht mit der Paarverteilungsfunktion in folgender Beziehung:
mit PMF ({{Modul:Vorlage:lang}} Modul:Multilingual:149: attempt to index field 'data' (a nil value)) als Maß der effektiven Wechselbeziehung zwischen zwei Komponenten in einer Lösung.
Die Kirkwood-Buff-Integrale (KBI) zwischen den Komponenten Fehler beim Parsen (MathML mit SVG- oder PNG-Rückgriff (empfohlen für moderne Browser und Barrierefreiheitswerkzeuge): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://wikimedia.org/api/rest_v1/“:): i und Fehler beim Parsen (MathML mit SVG- oder PNG-Rückgriff (empfohlen für moderne Browser und Barrierefreiheitswerkzeuge): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://wikimedia.org/api/rest_v1/“:): j ist als das Raumintegral über die Paarverteilungsfunktion definiert:
Im Falle kugelförmiger Symmetrie vereinfacht sich die Gleichung zu:
Verschiedene Beziehungen ($ G_{11} $, Fehler beim Parsen (MathML mit SVG- oder PNG-Rückgriff (empfohlen für moderne Browser und Barrierefreiheitswerkzeuge): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://wikimedia.org/api/rest_v1/“:): G_{22} und Fehler beim Parsen (MathML mit SVG- oder PNG-Rückgriff (empfohlen für moderne Browser und Barrierefreiheitswerkzeuge): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://wikimedia.org/api/rest_v1/“:): G_{12} ) können für ein System mit zwei Komponenten hergeleitet werden.
Das partielle molare Volumen der Komponente 1 ist:
mit der molaren Konzentration Fehler beim Parsen (MathML mit SVG- oder PNG-Rückgriff (empfohlen für moderne Browser und Barrierefreiheitswerkzeuge): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://wikimedia.org/api/rest_v1/“:): c und Fehler beim Parsen (MathML mit SVG- oder PNG-Rückgriff (empfohlen für moderne Browser und Barrierefreiheitswerkzeuge): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://wikimedia.org/api/rest_v1/“:): c_1\bar\nu_1+c_2\bar\nu_2=1
Die Kompressibilität Fehler beim Parsen (MathML mit SVG- oder PNG-Rückgriff (empfohlen für moderne Browser und Barrierefreiheitswerkzeuge): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://wikimedia.org/api/rest_v1/“:): \kappa :
mit $ k $ als die Boltzmann-Konstante und der Temperatur Fehler beim Parsen (MathML mit SVG- oder PNG-Rückgriff (empfohlen für moderne Browser und Barrierefreiheitswerkzeuge): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://wikimedia.org/api/rest_v1/“:): T .
Der osmotische Druck Fehler beim Parsen (MathML mit SVG- oder PNG-Rückgriff (empfohlen für moderne Browser und Barrierefreiheitswerkzeuge): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://wikimedia.org/api/rest_v1/“:): \Pi in Bezug zur Konzentration der Komponente 2:
mit Fehler beim Parsen (MathML mit SVG- oder PNG-Rückgriff (empfohlen für moderne Browser und Barrierefreiheitswerkzeuge): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://wikimedia.org/api/rest_v1/“:): \mu_1 als chemisches Potential der Komponente 1.
Die chemischen Potentiale in Bezug auf Konzentrationen, bei konstanter Temperatur (Fehler beim Parsen (MathML mit SVG- oder PNG-Rückgriff (empfohlen für moderne Browser und Barrierefreiheitswerkzeuge): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://wikimedia.org/api/rest_v1/“:): T ) und konstantem Druck (Fehler beim Parsen (MathML mit SVG- oder PNG-Rückgriff (empfohlen für moderne Browser und Barrierefreiheitswerkzeuge): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://wikimedia.org/api/rest_v1/“:): P ) sind:
oder alternativ, in Bezug zum Stoffmengenanteil:
Die relative Neigung der Lösung bzw. Interaktion eines Stoffes in einem Lösungsmittel wird durch den Bindungskoeffizienten (engl. {{Modul:Vorlage:lang}} Modul:Multilingual:149: attempt to index field 'data' (a nil value)) Fehler beim Parsen (MathML mit SVG- oder PNG-Rückgriff (empfohlen für moderne Browser und Barrierefreiheitswerkzeuge): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://wikimedia.org/api/rest_v1/“:): \Gamma beschrieben.[8] In einer wässrigen Lösung aus einem Lösungsmittel und zwei gelösten Komponenten (Solut und Cosolut) steht der effektive {{Modul:Vorlage:lang}} Modul:Multilingual:149: attempt to index field 'data' (a nil value) des Wassers mit dem {{Modul:Vorlage:lang}} Modul:Multilingual:149: attempt to index field 'data' (a nil value) Fehler beim Parsen (MathML mit SVG- oder PNG-Rückgriff (empfohlen für moderne Browser und Barrierefreiheitswerkzeuge): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://wikimedia.org/api/rest_v1/“:): \Gamma_W in Beziehung, der im Falle der Löslichkeit einen positiven Wert annimmt. Nach der Kirkwood-Buff-Theorie ist der preferential hydration coefficient bei niedrigen Konzentrationen des Cosoluts:
mit der Molarität des Wassers Fehler beim Parsen (MathML mit SVG- oder PNG-Rückgriff (empfohlen für moderne Browser und Barrierefreiheitswerkzeuge): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://wikimedia.org/api/rest_v1/“:): M_W und Fehler beim Parsen (MathML mit SVG- oder PNG-Rückgriff (empfohlen für moderne Browser und Barrierefreiheitswerkzeuge): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://wikimedia.org/api/rest_v1/“:): W, S und $ C $ als Wasser, Solut und Cosolut.
Im allgemeinsten Fall ist die bevorzugte Hydratation eine Funktion des KBI des Soluts mit sowohl dem Lösungsmittel als auch dem Cosolut. Unter einigen Annahmen[9] und in verschiedenen Anwendungsbeispielen[10] vereinfacht sich die Gleichung zu:
Dann ist die einzig relevante Funktion Fehler beim Parsen (MathML mit SVG- oder PNG-Rückgriff (empfohlen für moderne Browser und Barrierefreiheitswerkzeuge): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://wikimedia.org/api/rest_v1/“:): G_{CS} .
Die Theorie wurde 1951 von John G. Kirkwood und Frank P. Buff entwickelt.[1] Die reverse KB-Theorie wurde 1977 von Arieh Ben-Naim beschrieben.[6]