The electrostatic interaction energy of water molecules in polymorphs of ice

¹ Department of Metallurgy and Materials Science McMaster University Hamilton, Ontario, Canada L8S 4L7, Canada.
² Arctic Vessel and Marine Research Institute National Research Council of Canada Ottawa, Ontario, Canada K1A OR6, Canada.

Abstract

The Coulombic interaction energy of water molecules in hexagonal and cubic ice and in ice III, IV, V and VI has been calculated. The calculations take into account nearest neighbours up to the third shell and the probability of each orientation of these neighbours in a dendritic manner. The energy is found to increase when mutual polarization of molecules is taken into account. It is highest for molecules in cubic ice and lowest in ice VI. For a polymorph of ice the energy depends significantly upon interactions of a molecule with its second and third neighbours, with the result that breaking of some H-bonds in the ices leads to the weakening of others. The interactions with the second and third neighbours increases the energy of an isolated pair by 20 % to 35 %. Implications of these results for the use of pair-additive potentials in computer simulations of water and ice and for our understanding of the mechanical deformation of ice are pointed out.

Résumé

On calcule l'énergie d’interaction coulombienne des molécules d'eau dans la glace hexagonale et cubique, et dans les glaces III, IV, V et VI. Le calcul tient compte des plus proches voisins jusqu'à la troisième couche, et de la probabilité de chaque orientation de ces voisins de manière dendritique. On trouve un accroissement de l'énergie quand on tient compte de la polarisation mutuelle des molécules. Elle est maximale pour les molécules de glace cubique, minimale dans la glace < RS > VI. Dans une glace polymorphe l'énergie dépend de manière significative de l’interaction de la molécule avec ses second et troisième voisins, avec ce résultat que la rupture de certaines liaisons H dans les glaces affaiblit les autres liaisons. Les interactions avec les second et troisième voisins élèvent de 25 à 35 % l'énergie d'une paire isolée. On fait apparaître l'implication de ces résultats pour l'emploi des potentiels de paires en simulation sur ordinateur de l'eau et de la glace, et pour notre compréhension des déformations mécaniques de la glace.