Új hangyasavforrást fedeztek fel a Csendes-óceán, az indiai-óceánok felett

A napfény a molekulákat az egyensúlytól messze hajtja, új kémiai utakat tesz lehetővé

A Sandia National Laboratories kísérletei, amelyek célja a kémiai rendszerek egyensúlytól való elmozdítása, lehetővé tették egy nemzetközi kutatócsoport számára, hogy a csendes-óceáni és az indiai-óceán felett új hangyasavforrást fedezzen fel.

amelyet

A hangyasav a legkisebb szerves sav és a hangyák közötti kommunikáció fontos vegyi anyagán kívül a legelterjedtebb szerves sav a globális légkörben, és az esővíz savasságának fő forrása. A globális légköri modellek azonban a közvetlen mérésekhez képest szignifikánsan előre jelzik a hangyasav mennyiségét a troposzférában. Mivel a hangyasav a szénhidrogén-oxidáció végpontjában van, ez az alábecsülés megkérdőjelezi a légkör szénhidrogén-bomlásának jelenlegi tudományos megértését. Kritikus megérteni ennek az elõrejelzésnek az eredetét, mert a levegõ minõségének és az éghajlatra gyakorolt ​​aeroszol hatások pontos elõrejelzése a légköri szénhidrogén kémia alapos bemutatásán alapul. Az új kutatás rávilágít arra, hogy az egyensúlyhiányos folyamatok hogyan viszik közelebb a modelleket a valósághoz, de váratlan fordulattal.

Craig Taatjes, a Sandia kutatója által az égéskémia területén végzett korábbi munka ihlette, David Osborn szandiai fizikai vegyész és munkatársai feltételezték, hogy a vinil-alkohol a hiányzó hangyasav kémiai előfutára lehet.

Volt azonban egy hiba: a vinil-alkohol a közös molekula acetaldehid metastabil formája vagy izomerje. Egyensúly és szobahőmérséklet mellett minden 3,3 millió acetaldehidmolekulára csak egy vinil-alkohol molekula tartozik. Valaminek el kell tolnia ezt a keveréket a természetes összetételétől, hogy elegendő vinil-alkohol molekula legyen a hangyasav koncentrációjának potenciális befolyásolásához.

A válasz erre a rejtvényre Osborn által megalapozott tudományos Grand Challenge feltárása révén jött létre a DOE Energetikai Alaptudományok Hivatalától, amely finanszírozta a munkát: az egyensúlytól távol álló rendszerek hasznosítása. A kémiai rendszer egyensúlytól való kikényszerítése lehetővé teheti a vegyészek számára, hogy felfedezzék a szokatlan molekuláris konfigurációkat, amelyek értékes tulajdonságokkal bírhatnak az energia megkötése és az energiatárolás szempontjából.

Osborn csapata úgy gondolta, hogy a fotonok - különösen az ultraibolya fény - ideális eszközök lennének egy kémiai rendszer egyensúlyhiányos vezetésére, de a molekulák közötti ütközések elkerülhetetlenül az egyensúly helyreállításához vezetnek. Emiatt nem volt világos, hogy a megközelítés légköri nyomáson működik-e, ahol a molekulák ütközése másodpercenként körülbelül 7 milliárdszor fordul elő.

A nem egyensúlyi állapotok kulcsfontosságúak az új kémia területén

Infravörös spektroszkópia segítségével az ultraibolya fénnyel besugárzott molekulák elemzéséhez, ezáltal a napfény utánzásához Osborn és csapata megerősítette, hogy a 300-330 nanométeres hullámhosszok átrendezhetik az acetaldehid atomjait, átalakítva azt vinil-alkoholgá. A kísérletek azt mutatták, hogy amikor 100 acetaldehid-molekula abszorbeálja az ultraibolya fotonokat ebben a hullámhossztartományban, átlagosan négyből alakul át vinil-alkohol. A folyamat még légköri nyomáson is fennáll, így a fényt elnyelő molekulákat 100 000-es tényező elvezeti az egyensúlyi keveréktől.

"A vinil-alkohol koncentrációjának ez a drámai növekedése most olyan új oxidációs kémiát tesz lehetővé, amely az acetaldehidből nem lehetséges" - mondta Osborn.

Csapata feltételezte, hogy a vinil-alkoholt oxidálva hangyasavat nyerhetnek, ezt az utat a legutóbbi elméleti számítások támasztják alá, amelyek előrejelezték a folyamat sebességi állandóját. A kísérleti és elméleti részletek birtokában Osborn munkatársai hozzáadhatták ezt a kémiai anyagot a Föld légkörének helyi és globális modelljeihez, hogy lássák, hogyan változtathatja meg a hangyasav koncentrációit.

"Ez az új kémia évente körülbelül 3,4 milliárd tonna további hangyasavat termel a modellben, de ez csak a hangyasav 7 százalékát teszi ki a globális modellben" - mondta Osborn. "Ez nem elegendő a hangyasav hiányzó forrásainak rejtélyének feloldásához, amelyek miatt a modellek nem értenek egyet a kísérletekkel. Ez az új kémia azonban a Csendes-óceán és az Indiai-óceán felett a teljes modellezett hangyasav-termelés több mint 50 százalékát teszi ki. teljesen váratlan eredmény, amely megmagyarázhatja a hangyasav korábban rejtélyes eredetét a nyílt óceánokon. "

Az egyensúly elmúlásának fontossága

1999 óta Osborn feltárta a gázfázisú kémiai reakciók mechanizmusait Sandia égéskutató létesítményében. A gyakorlati égés során tapasztalt magas hőmérsékletek termékeny talajt nyújtanak a kémiai reaktivitás alapvető kérdéseinek teszteléséhez. A kémiai változás alapvető megértésének javítása közvetlenül foglalkozik az Energetikai Minisztérium céljaival, amelyek átfedik a tudományterületeket, például az energia szabályozott átalakításának képességét az elektromos, kémiai és kinetikus tartályok között.

"Ez a kutatás megmutatja, hogy a fotonok miként tudják a rendszereket az egyensúlytól messzire tolni, új kémiai utakat hozva létre, amelyek lehetővé teszik az energiaátalakítások fokozott ellenőrzését, még olyan környezetben is, ahol sok véletlenszerű ütközés van, és az egyensúly helyreállítására törekszik".

A kutatás azt is bemutatja, hogy a DOE által finanszírozott alaptudománynak milyen váratlan hatása lehet más, a társadalom számára fontos területeken, például a légköri kémia területén.