اكتشف نوع جديد من المواد شديدة التفاعل في الغلاف الجوي

لأول مرة ، تم اكتشاف فئة جديدة تمامًا من المركبات الكيميائية فائقة التفاعل في ظل الظروف الجوية. قام علماء من جامعة كوبنهاغن ، بالتعاون الوثيق مع زملائهم الدوليين ، بتوثيق تكوين ما يسمى بثلاث أوكسيدات – مركب كيميائي شديد التأكسد يؤثر على الأرجح على صحة الإنسان ومناخنا العالمي.

بيروكسيد الهيدروجين مركب كيميائي معروف. نظرًا لأن جميع البيروكسيدات تحتوي على ذرتين من الأكسجين مرتبطة ببعضهما البعض ، فهي شديدة التفاعل وغالبًا ما تكون قابلة للاحتراق والانفجار. تستخدم في كل شيء من تبييض الأسنان والشعر إلى تنظيف الجروح وحتى كوقود الصواريخ. ومع ذلك ، توجد البيروكسيدات أيضًا في الهواء المحيط بنا.

كانت هناك تكهنات في السنوات الأخيرة حول ما إذا كانت ثلاثية الأكسيدات – وهي مركبات كيميائية بها ثلاث ذرات أكسجين مرتبطة ببعضها البعض ، وبالتالي أكثر تفاعلًا من البيروكسيدات – موجودة أيضًا في الغلاف الجوي. لكن حتى الآن ، لم يتم إثبات ذلك بشكل قاطع.

يقول البروفيسور هنريك جروم كيارجارد ، من قسم الكيمياء في جامعة كوبنهاغن: “هذا ما حققناه الآن”. Kjærgaard هو المؤلف الرئيسي للدراسة ، التي نُشرت في 26 مايو 2022 ، في المجلة المرموقة ، علم.

الأستاذ Henrik Grum Kjærgaard في المختبر. الائتمان: جامعة كوبنهاغن

تواصل:

أنواع المركبات التي اكتشفناها فريدة من نوعها في هيكلها. ولأنها شديدة التأكسد ، فمن المرجح أنها تسبب مجموعة كاملة من التأثيرات التي لم نكتشفها بعد.

الهيدروكسيدات (ROOOH) ، كما يطلق عليها ، هي فئة جديدة تمامًا من المركبات الكيميائية. أظهر باحثون من جامعة كوبنهاغن (UCPH) ، جنبًا إلى جنب مع زملاء من معهد لايبنيز لأبحاث التروبوسفير (TROPOS) ومعهد كاليفورنيا للتكنولوجيا (Caltech) ، أن هذه المركبات تتشكل في ظل الظروف الجوية.

رد الفعل: ROO + OH → ROOOH (ذرات الأكسجين باللون الأحمر). عندما تتأكسد المركبات الكيميائية في الغلاف الجوي ، فإنها غالبًا ما تتفاعل مع جذور OH ، وتشكل عادةً جذريًا جديدًا. عندما يتفاعل هذا الجذور مع الأكسجين ، فإنه يشكل جذرًا ثالثًا يسمى بيروكسيد (ROO) ، والذي بدوره يمكن أن يتفاعل مع جذور OH ، مكونًا هيدروتريوكسيدات (ROOOH). الائتمان: جامعة كوبنهاغن

أظهر الباحثون أيضًا أن الهيدروتريوكسيدات تتشكل أثناء الانهيار الجوي للعديد من المواد المعروفة والمنبعثة على نطاق واسع ، بما في ذلك الأيزوبرين وثنائي ميثيل كبريتيد.

“من المهم جدًا أنه يمكننا الآن أن نظهر ، من خلال الملاحظة المباشرة ، أن هذه المركبات تتشكل في الواقع في الغلاف الجوي ، وأنها مستقرة بشكل مدهش ، وأنها تتكون من أي مركب كيميائي تقريبًا. يقول جينغ تشين ، طالب الدكتوراه في قسم الكيمياء والمؤلف الثاني للدراسة ، “يجب الآن وضع حد لجميع التكهنات”.

تتشكل Hydrotrioxides أثناء تفاعل بين نوعين من الجذور (انظر الشكل أدناه). يتوقع الباحثون أن جميع المركبات الكيميائية تقريبًا تشكل أكاسيدًا هيدروليكية في الغلاف الجوي ويقدر عمرها بأنها تتراوح من دقائق إلى ساعات. هذا يجعلها مستقرة بما يكفي لتتفاعل مع العديد من المركبات الجوية الأخرى.

من المحتمل امتصاصه في الهباء الجوي

يشك فريق البحث أيضًا بقوة في أن ثلاثي أكسيد الكربون يمكن أن يخترق جزيئات صغيرة محمولة في الهواء ، تسمى الهباء الجوي ، والتي تشكل خطرًا على الصحة ويمكن أن تؤدي إلى أمراض الجهاز التنفسي والقلب والأوعية الدموية.

من المرجح أن يدخلوا الهباء الجوي ، حيث سيشكلون مركبات جديدة ذات تأثيرات جديدة. من السهل تخيل مواد جديدة تتشكل في الهباء الجوي تكون ضارة إذا تم استنشاقها. يقول Henrik Grum Kjærgaard ، “هناك حاجة إلى مزيد من التحقيق لمعالجة هذه الآثار الصحية المحتملة”.

على الرغم من أن الهباء الجوي يؤثر أيضًا على المناخ ، إلا أنه من أصعب الأمور التي يمكن وصفها في النماذج المناخية. ووفقًا للباحثين ، هناك احتمال كبير أن يكون للأكسدة المائية تأثير على عدد الهباء الجوي المنتج.

الإعداد المختبري لتجربة التدفق الحر النفاث في TROPOS في لايبزيغ ، مع تقديم هذا الدليل المباشر لأول مرة على أن تكوين الهيدروكسيدات (ROOOH) يحدث أيضًا في ظل الظروف الجوية من تفاعل جذور البيروكسي (RO2) مع جذور الهيدروكسيل ( أوه). الائتمان: تيلو أرنهولد ، TROPOS

“نظرًا لانعكاس ضوء الشمس وامتصاصه بواسطة الهباء الجوي ، فإن هذا يؤثر على توازن حرارة الأرض ، أي نسبة ضوء الشمس التي تمتصها الأرض وتعكسها مرة أخرى في الفضاء. وعندما تمتص الهباء الجوي المواد ، فإنها تتوسع وتساهم في تكوين السحب ، والتي تقول المؤلفة المشاركة وطالبة الدكتوراه ، Eva R. Kjærgaard ، “تؤثر أيضًا على مناخ الأرض”.

تأثير المركب يحتاج إلى مزيد من التحقيق

يأمل الباحثون أن يساعدنا اكتشاف الأكاسيد المائية في معرفة المزيد عن تأثير المواد الكيميائية التي نبعثها.

“تطلق معظم الأنشطة البشرية مواد كيميائية في الغلاف الجوي. وبالتالي ، فإن معرفة التفاعلات التي تحدد كيمياء الغلاف الجوي مهمة إذا أردنا أن نكون قادرين على التنبؤ بكيفية تأثير أفعالنا على الغلاف الجوي في المستقبل ، “كما يقول المؤلف المشارك وزميل ما بعد الدكتوراه ، كريستان إتش مولر.

حتى الآن لم يكن هناك سوى تكهنات حول الهيدروكسيدات (ROOOH) ، أن هذه المركبات العضوية مع المجموعة غير العادية OOOH ستكون موجودة. في التجارب المعملية في TROPOS في لايبزيغ ، يمكن الآن توضيح تكوينها أثناء أكسدة الهيدروكربونات المهمة ، مثل الأيزوبرين والألفا بينين. الائتمان: تيلو أرنولد ، TROPOS

ومع ذلك ، لا يشعر هو ولا هنريك جروم كيارجارد بالقلق بشأن الاكتشاف الجديد:

“هذه المركبات كانت موجودة دائمًا – لم نكن نعرف عنها شيئًا. لكن حقيقة أن لدينا الآن دليلًا على أن المركبات تتشكل وتعيش لفترة من الوقت تعني أنه من الممكن دراسة تأثيرها بطريقة أكثر استهدافًا والتفاعل إذا تبين أنها خطيرة “، كما يقول Henrik Grum. Kjaergaard .

“يشير الاكتشاف إلى أنه يمكن أن يكون هناك العديد من الأشياء الأخرى في الهواء التي لا نعرف عنها بعد. في الواقع ، الهواء من حولنا عبارة عن مجموعة متشابكة ضخمة من التفاعلات الكيميائية المعقدة. بصفتنا باحثين ، علينا أن نتفتح عقلنا إذا كنا تريد تحسين إيجاد الحلول “، يختتم جينغ تشين.

المرجع: “تكوين هيدروتريوكسيد (ROOOH) في الغلاف الجوي” بقلم تورستن بيرندت وجينغ تشين وإيفا آر. G. Kjaergaard ، 26 مايو 2022 ، علم.
DOI: 10.1126 / science.abn6012

عن الدراسة

• بينما تم تطوير النظريات الكامنة وراء نتائج البحث الجديدة في كوبنهاغن ، أجريت التجارب باستخدام مقياس الطيف الكتلي ، جزئيًا في معهد لايبنيز لأبحاث التروبوسفير (TROPOS) في ألمانيا ، وجزئيًا جزئيًا في معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا (Caltech) في الولايات المتحدة. .
• على الرغم من أنه يجب استخدام تركيزات أعلى في العديد من التجارب ، إلا أن هذه التجارب يتم إجراؤها في بيئة مطابقة تقريبًا للغلاف الجوي ، مما يجعل النتائج موثوقة للغاية وقابلة للمقارنة مع الغلاف الجوي. أصبح قياس الهيدروكسيدات ممكنًا من خلال استخدام أدوات قياس حساسة للغاية.
• أجرى الدراسة: Torsten Berndt و Andreas Tilgner و Erik H. Hoffmann و Hartmut Hermann من معهد لايبنيز لأبحاث التروبوسفير (TROPOS) ؛ جينغ تشين ، وإيفا ر. كييرغارد ، وكريستيان إتش مولر وهنريك جروم كيارغارد من قسم الكيمياء ، جامعة كوبنهاغن ؛ وجون د. كرونس وبول وينبيرج في معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا.