Naukowcy odkrywają nowe źródło kwasu mrówkowego nad Pacyfikiem, oceanami indyjskimi

Anonim

Wgląd w doświadczenia w Sandia National Laboratories, które miały na celu odepchnięcie układów chemicznych od równowagi, pozwolił międzynarodowej grupie naukowców odkryć nowe główne źródło kwasu mrówkowego nad Pacyfikiem i oceanami indyjskimi.

Odkrycie zostało opublikowane w wydaniu Nature Communications 3 lipca. Projekt był owocem współpracy Sandii, Uniwersytetu Nowej Południowej Walii, University of Leeds, University of the Pacific i University of Minnesota.

Oprócz tego, że jest najmniejszym kwasem organicznym i ważnym środkiem chemicznym do komunikacji między mrówkami, kwas mrówkowy jest najbogatszym kwasem organicznym w globalnej atmosferze i głównym źródłem kwasowości wody deszczowej. Jednak globalne modele atmosferyczne znacznie zaniżają ilość kwasu mrówkowego obecnego w troposferze w porównaniu z bezpośrednimi pomiarami. Ponieważ kwas mrówkowy znajduje się w punkcie końcowym oksydacji węglowodorów, ten niedoceniany kwestionuje aktualne naukowe zrozumienie degradacji węglowodorów w atmosferze. Ważne jest, aby zrozumieć pochodzenie tego niedopowiedzenia, ponieważ dokładne prognozy dotyczące jakości powietrza i wpływu aerozolu na klimat opierają się na reprezentacji chemicznej węglowodorów atmosferycznych. Nowe badania pokazują, że procesy nierównowagi zbliżają modele do rzeczywistości, ale z nieoczekiwanym zwrotem akcji.

Zainspirowany wcześniejszymi pracami naukowca Sandii Craiga Taatjesa z chemii spalania, fizyk chemiczny Sandia, David Osborn i jego współpracownicy postawili hipotezę, że alkohol winylowy może być chemicznym prekursorem brakującego kwasu mrówkowego.

Jednak był problem: alkohol winylowy jest metastabilną postacią lub izomerem wspólnej cząsteczki aldehydu octowego. Przy równowadze i temperaturze pokojowej na każdą 3, 3 miliona cząsteczek aldehydu octowego przypada tylko jedna cząsteczka alkoholu winylowego. Coś będzie musiało wypchnąć tę mieszaninę z dala od jej naturalnego składu, by było wystarczająco dużo molekuł alkoholu winylowego, aby potencjalnie wpływać na stężenie kwasu mrówkowego.

Odpowiedź na tę zagadkę pojawiła się w wyniku odkrycia przez Osborn fundamentalnego naukowego Wielkiego Wyzwania z Biura Podstawowych Nauk Energetycznych DOE, który sfinansował dzieło: zaprząc systemy dalekie od równowagi. Zmuszenie układu chemicznego, który jest daleki od równowagi, może pozwolić chemikom na zbadanie niezwykłych konfiguracji molekularnych, które mogą mieć cenne właściwości do wychwytywania energii i magazynowania energii.

Zespół Osborna sądził, że fotony - w szczególności światło ultrafioletowe - będą idealnym narzędziem do kierowania układem chemicznym z dala od równowagi, ale zderzenia między cząsteczkami nieuchronnie prowadzą do przywrócenia równowagi. Z tego powodu nie było jasne, czy podejście będzie działało pod ciśnieniem atmosferycznym, gdzie zderzenie cząsteczek występuje około 7 miliardów razy na sekundę.

Brak warunków równowagi w nowej chemii

Wykorzystując spektroskopię w podczerwieni do analizy cząsteczek po napromieniowaniu światłem ultrafioletowym, tym samym naśladując światło słoneczne, Osborn i jego zespół potwierdzili, że długości fal z 300-330 nanometrów mogą zmienić układ atomów w aldehydu octowym, przekształcając go w alkohol winylowy. Eksperymenty wykazały, że gdy 100 cząsteczek acetaldehydu absorbuje fotony ultrafioletowe w tym zakresie długości fal, średnio cztery z nich są przekształcane w alkohol winylowy. Proces utrzymuje się nawet przy ciśnieniu atmosferycznym, tak że cząsteczki, które pochłonęły światło, są przenoszone przez czynnik równy 100 000 od mieszaniny równowagowej.

"Ten dramatyczny wzrost stężenia alkoholu winylowego umożliwia obecnie nową chemię utleniania, która nie jest możliwa z aldehydu octowego" - powiedział Osborn.

Jego zespół postulował, że alkohol winylowy może być utleniony, by uzyskać kwas mrówkowy, który jest wspierany przez ostatnie teoretyczne obliczenia, które przewidywały stałą szybkości dla tego procesu. Mając pod ręką szczegóły eksperymentalne i teoretyczne, współpracownicy Osborna mogli dodać tę chemię do lokalnych i globalnych modeli atmosfery ziemskiej, aby zobaczyć, jak może to zmienić stężenia kwasu mrówkowego.

"Ta nowa chemia produkuje w modelu około 3, 4 miliarda ton dodatkowego kwasu mrówkowego rocznie, ale to tylko 7 procent kwasu mrówkowego w modelu globalnym", powiedział Osborn. "To nie wystarczy, aby rozwiązać zagadkę brakujących źródeł kwasu mrówkowego, które powodują, że modele nie zgadzają się z eksperymentami, ale ta nowa chemia stanowi ponad 50 procent całkowitej modelowanej produkcji kwasu mrówkowego nad Pacyfikiem i oceanami indyjskimi, wynik, który był całkowicie nieoczekiwany i może wyjaśnić wcześniej zagadkowe pochodzenie kwasu mrówkowego nad otwartymi oceanami. "

Znaczenie pchania przeszłej równowagi

Od 1999 roku Osborn zbadał mechanizmy reakcji chemicznych w fazie gazowej w Sandia's Research Research Facility. Wysokie temperatury spotykane w praktycznym spalaniu zapewniają żyzny grunt do testowania podstawowych pytań o reaktywność chemiczną. Poprawa podstawowego zrozumienia zmian chemicznych bezpośrednio odnosi się do celów Departamentu Energii, które obejmują dyscypliny, takie jak zdolność do przekształcania energii w kontrolowany sposób między elektrycznymi, chemicznymi i kinetycznymi zbiornikami.

"Te badania pokazują, że fotony mogą wypychać systemy daleko od równowagi, tworząc nowe szlaki chemiczne, które mogłyby umożliwić zwiększoną kontrolę nad przemianami energii, nawet w środowiskach z wieloma losowymi zderzeniami, które dążą do przywrócenia równowagi", powiedział Osborn.

Badanie pokazuje również, w jaki sposób finansowana z DOE podstawa naukowa może mieć nieoczekiwane skutki w innych obszarach ważnych dla społeczeństwa, takich jak chemia atmosferyczna.

menu
menu