Forscher entdecken neue Quelle von Ameisensäure über pazifischen, indischen Ozeanen

Anonim

Erkenntnisse aus Experimenten in den Sandia National Laboratories, die darauf abzielten, chemische Systeme weit aus dem Gleichgewicht zu bringen, ermöglichten es einer internationalen Forschergruppe, eine neue Hauptquelle für Ameisensäure über dem Pazifik und dem Indischen Ozean zu entdecken.

Die Entdeckung wurde in der 3. Juli Ausgabe von Nature Communications veröffentlicht. Das Projekt war eine Zusammenarbeit zwischen Sandia, der Universität von New South Wales, der Universität von Leeds, der Universität des Pazifiks und der Universität von Minnesota.

Die Ameisensäure ist nicht nur die kleinste organische Säure und eine wichtige Chemikalie für die Kommunikation zwischen den Ameisen, sondern auch die am häufigsten vorkommende organische Säure in der globalen Atmosphäre und eine Hauptquelle für Regenwassersäure. Globale atmosphärische Modelle haben jedoch die Menge an Ameisensäure in der Troposphäre im Vergleich zu direkten Messungen deutlich unterschätzt. Da Ameisensäure am Endpunkt der Kohlenwasserstoffoxidation liegt, stellt diese Unterschätzung das aktuelle wissenschaftliche Verständnis des Kohlenwasserstoffabbaus in der Atmosphäre in Frage. Es ist wichtig, den Ursprung dieser Unterschätzung zu verstehen, denn genaue Vorhersagen der Luftqualität und der Auswirkungen von Aerosolen auf das Klima beruhen auf einer fundierten Darstellung der atmosphärischen Kohlenwasserstoffchemie. Die neue Forschung zeigt, wie Ungleichgewichts-Prozesse Modelle näher zur Realität bringen, aber mit einer unerwarteten Wendung.

Inspiriert von früheren Arbeiten des Sandia-Forschers Craig Taatjes in der Verbrennungschemie stellten Sandias Physiker David Osborn und seine Kollegen die Hypothese auf, dass Vinylalkohol ein chemischer Vorläufer der fehlenden Ameisensäure sein könnte.

Es gab jedoch einen Haken: Vinylalkohol ist eine metastabile Form oder Isomer des gemeinsamen Moleküls Acetaldehyd. Bei Gleichgewichts- und Raumtemperatur liegt für jeweils 3, 3 Millionen Acetaldehydmoleküle nur ein Vinylalkoholmolekül vor. Etwas müsste diese Mischung weit von ihrer natürlichen Zusammensetzung wegdrängen, damit genügend Vinylalkoholmoleküle vorhanden sind, um die Ameisensäurekonzentrationen zu beeinflussen.

Die Antwort auf dieses Rätsel kam durch Osborns Erkundungen einer grundlegenden wissenschaftlichen Grand Challenge des DOE-Büros für grundlegende Energiewissenschaften, die die Arbeit finanzierte: Systeme weit vom Gleichgewicht zu nutzen. Wenn ein chemisches System weit vom Gleichgewicht entfernt wird, könnten Chemiker ungewöhnliche molekulare Konfigurationen entdecken, die wertvolle Eigenschaften für die Energiegewinnung und Energiespeicherung haben könnten.

Osborns Team dachte, dass Photonen - insbesondere ultraviolettes Licht - ein ideales Werkzeug wären, um ein chemisches System weit vom Gleichgewicht zu treiben, aber Kollisionen zwischen Molekülen führen unweigerlich zu einer Wiederherstellung des Gleichgewichts. Aus diesem Grund war es nicht klar, ob der Ansatz bei Atmosphärendruck arbeiten würde, wo eine Kollision zwischen Molekülen etwa 7 Milliarden Mal pro Sekunde auftritt.

Nichtgleichgewichtsbedingungen spielen eine Schlüsselrolle in der neuen Chemie

Mit Infrarotspektroskopie analysierten Osborn und sein Team die Moleküle nach der Bestrahlung mit ultraviolettem Licht und ahmten dabei nach, dass Wellenlängen von 300-330 Nanometern die Atome in Acetaldehyd umlagern und in Vinylalkohol umwandeln können. Die Experimente zeigten, dass, wenn 100 Acetaldehydmoleküle ultraviolette Photonen in diesem Wellenlängenbereich absorbieren, im Durchschnitt vier von ihnen in Vinylalkohol umgewandelt werden. Der Prozess bleibt sogar bei atmosphärischem Druck bestehen, so dass Moleküle, die Licht absorbiert haben, um einen Faktor von 100.000 von einer Gleichgewichtsmischung entfernt sind.

"Dieser drastische Anstieg der Vinylalkoholkonzentration ermöglicht nun eine neue Oxidationschemie, die aus Acetaldehyd nicht möglich ist", sagte Osborn.

Sein Team postulierte, dass Vinylalkohol oxidiert werden könnte, um Ameisensäure zu ergeben, ein Weg, der durch jüngste theoretische Berechnungen gestützt wird, die eine Geschwindigkeitskonstante für diesen Prozess vorhergesagt haben. Mit den experimentellen und theoretischen Details in der Hand, konnten Osborns Mitarbeiter diese Chemie lokalen und globalen Modellen der Erdatmosphäre hinzufügen, um zu sehen, wie diese die Ameisensäurekonzentrationen verändern könnte.

"Diese neue Chemie produziert etwa 3, 4 Milliarden Tonnen zusätzliche Ameisensäure pro Jahr im Modell, aber das sind nur 7 Prozent Ameisensäure im globalen Modell", sagte Osborn. "Dies ist nicht genug, um das Geheimnis der fehlenden Quellen von Ameisensäure zu lösen, die Modelle dazu bringen, mit Experimenten zu widersprechen. Diese neue Chemie macht jedoch mehr als 50 Prozent der gesamten modellierten Ameisensäureproduktion über dem Pazifik und dem Indischen Ozean aus Ergebnis, das völlig unerwartet war und den bisher rätselhaften Ursprung von Ameisensäure über offenen Ozeanen erklären könnte. "

Wichtigkeit, das Gleichgewicht zu überschreiten

Seit 1999 erforscht Osborn die Mechanismen chemischer Reaktionen in der Gasphase bei Sandias Combustion Research Facility. Die hohen Temperaturen, die bei der praktischen Verbrennung auftreten, bieten einen fruchtbaren Boden, um grundlegende Fragen der chemischen Reaktivität zu untersuchen. Die Verbesserung des grundlegenden Verständnisses chemischer Veränderungen befasst sich direkt mit Zielen des Department of Energy, die sich über verschiedene Disziplinen erstrecken, z. B. die Fähigkeit, Energie auf kontrollierte Weise zwischen elektrischen, chemischen und kinetischen Reservoirs zu transformieren.

"Diese Forschung zeigt, wie Photonen Systeme fernab des Gleichgewichts verschieben können, wodurch neue chemische Wege geschaffen werden, die eine verstärkte Kontrolle über Energietransformationen ermöglichen, selbst in Umgebungen mit vielen zufälligen Kollisionen, die das Gleichgewicht wieder herstellen wollen", sagte Osborn.

Die Forschung zeigt auch, dass von der DOE finanzierte Grundlagenforschung unerwartete Auswirkungen auf andere Bereiche haben kann, die für die Gesellschaft wichtig sind, wie etwa die Atmosphärenchemie.

menu
menu