В атмосферата е открит нов вид силно реактивен материал

За първи път е открит изцяло нов клас химически съединения, които са супер реактивни при атмосферни условия. Учени от университета в Копенхаген, в тясно сътрудничество с международните си колеги, са документирали образуването на така наречения триоксид – силно окисляващо химично съединение, което най-вероятно засяга човешкото здраве и нашия глобален климат.

Водородният пероксид е добре познато химично съединение. Тъй като всички пероксиди съдържат два кислородни атома, свързани заедно, те са силно реактивни и често запалими и експлозивни. Използват се за всичко – от избелване на зъби и коса до почистване на рани и дори като ракетно гориво. Въпреки това, пероксиди се намират и във въздуха около нас.

През последните години имаше спекулации относно това дали триоксиди – химични съединения с три кислородни атома, свързани заедно, и следователно по-реактивни от пероксидите – също присъстват в атмосферата. Но досега това не е окончателно доказано.

„Това е, което постигнахме сега“, казва професор Хенрик Гром Кьоргаард от катедрата по химия на университета в Копенхаген. Kjærgaard е водещ автор на изследването, което е публикувано на 26 май 2022 г. в престижното списание, наука.

Професор Хенрик Грум Кьоргаард в лабораторията. Кредит: Университет в Копенхаген

продължи:

Видът на съединенията, които открихме, е уникален по своята структура. И тъй като е силно окисляващ, вероятно води до редица ефекти, които все още не сме разкрили.

Хидроксидите (ROOOH), както са известни, са изцяло нов клас химични съединения. Изследователи от Университета в Копенхаген (UCPH), заедно с колеги от Института за тропосферни изследвания на Лайбниц (TROPOS) и Калифорнийския технологичен институт (Caltech), са показали, че тези съединения се образуват при атмосферни условия.

Реакция: ROO + OH → ROOOH (кислородни атоми в червено). Когато химичните съединения в атмосферата се окисляват, те често реагират с OH радикали, образувайки нови радикали. Когато този радикал реагира с кислород, той образува трети радикал, наречен пероксид (ROO), който от своя страна може да реагира с OH радикали, като по този начин образува хидроксиди (ROOOH). Кредит: Университет в Копенхаген

Изследователите също така показаха, че хидротриоксидите се образуват по време на атмосферното разлагане на няколко известни и широко освободени вещества, включително изопрен и диметилсулфид.

„Много е важно сега да можем да покажем чрез директно наблюдение, че тези съединения всъщност се образуват в атмосферата, че са изненадващо стабилни и че са съставени от почти всички химически съединения“, казва Джинг Чен, докторант в катедрата по химия и втори автор на изследването. Всички спекулации трябва да бъдат оставени настрана.

Хидротриоксидите се образуват при реакция между два вида радикали (вижте фигурата по-долу). Изследователите прогнозират, че почти всички химични съединения ще образуват водородни оксиди в атмосферата и изчисляват, че продължителността на живота им варира от минути до часове. Това го прави достатъчно стабилен, за да взаимодейства с много други въздушни превозни средства.

Предполага се абсорбира в аерозоли

Изследователският екип също има въглероден триоксид под силното подозрение за способността му да прониква във фини въздушни частици, известни като аерозоли, които са опасни за здравето и могат да доведат до респираторни и сърдечно-съдови заболявания.

По-вероятно е те да навлязат в аерозола, където ще образуват нови съединения с нови ефекти. Лесно е да си представим, че в аерозоли се образуват нови вещества, които са вредни при вдишване. „Необходими са по-нататъшни изследвания за справяне с тези потенциални последици за здравето“, казва Хенрик Грум Кьоргаард.

Докато аерозолите също влияят на климата, те са сред най-трудните за описване в климатичните модели. Според изследователите има голяма вероятност водните оксиди да повлияят на броя на произвежданите аерозоли.

Лабораторната настройка на експеримент със свободен поток на струя в TROPOS в Лайпциг, предоставящ за първи път това пряко доказателство, че образуването на хидроксиди (ROOOH) също се случва при атмосферни условия от реакцията на перокси радикали (RO2) с хидроксилни радикали (OH) . Кредит: Тило Арнхолд, ТРОПОС

„Тъй като слънчевата светлина се отразява и абсорбира от аерозолите, това се отразява на топлинния баланс на Земята – т.е. на дела на слънчевата светлина, която Земята поглъща и изпраща обратно в космоса. Когато аерозолите абсорбират вещества, те растат и допринасят за образуването на облаци, което също влияе върху климата на Земята. ”, казва съавторът и доктор на науките. Студентка, Ева Р. Кьоргаард.

Ефектът на съединението се нуждае от допълнително проучване

Изследователите се надяват, че откриването на водни оксиди ще ни помогне да научим повече за ефекта на химикалите, които излъчваме.

Повечето човешки дейности водят до отделяне на химикали в атмосферата. Така че познаването на взаимодействията, които определят атмосферната химия, е важно, ако искаме да можем да предвидим как нашите действия ще повлияят на атмосферата в бъдеще“, казва съавторът и постдок, Кристиан Х. Мюлер.

Досега беше само спекулация за хидротриоксидите (ROOOH), че тези органични съединения с необичайната група OOOH ще присъстват. В лабораторни експерименти в TROPOS в Лайпциг, сега може да се демонстрира образуването му по време на окисляването на важни въглеводороди, като изопрен и алфа-пинен. Кредит: Тило Арнхолд, ТРОПОС

Нито той, нито Хенрик Гром Киргард обаче не са загрижени за новото откритие:

„Тези съединения винаги са съществували – ние не знаехме нищо за тях. Но фактът, че сега имаме доказателства, че съединенията се образуват и живеят за определено време, означава, че е възможно да се изследва ефектът им по-целенасочен и да реагира, ако се обърнат е опасно“, казва Хенрик Грум Кьоргаард.

„Откритието предполага, че във въздуха може да има много други неща, за които все още не знаем. Всъщност въздухът около нас е огромна плетеница от сложни химични реакции. Като изследователи, ние трябва да бъдем отворени… имайте предвид, ако искаме да се развиваме по-добре в намирането на решения“, заключава Джинг Чен.

Справка: „Образуването на хидротриоксид (ROOOH) в атмосферата“ от Торстен Бернд, Джинг Чен и Ева Р. Хенрик Г. Кяергор, 26 май 2022 г., достъпно тук. наука.
DOI: 10.1126 / science.abn6012

Относно изследването

• Докато теориите зад новите изследователски открития бяха разработени в Копенхаген, бяха проведени експерименти с помощта на масспектрометрия, отчасти в Института за тропосферни изследвания на Лайбниц (TROPOS) в Германия и отчасти в Калифорнийския технологичен институт (Caltech) в Съединените щати.
• Докато в много експерименти трябва да се използват по-високи концентрации, тези експерименти се извършват в среда, почти идентична с атмосферата, което прави резултатите много надеждни и сравними с атмосферата. Измерването на хидроксидите става възможно с помощта на високочувствителни измервателни уреди.
• Изследването е проведено от: Torsten Berndt, Andreas Tilgner, Erik H. Hoffmann и Hartmut Hermann от Института за тропосферни изследвания на Лайбниц (TROPOS); Джинг Чен и Ева Р. Kiergaard, Christian H. Muller и Henrik Grom Kiergaard в катедрата по химия на университета в Копенхаген; и Джон Д. Кронес и Пол Вайнберг от Калифорнийския технологичен институт.