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Une nouvelle classe de substances réactives inhabituelles découvertes en chimie atmosphérique

La configuration en laboratoire d’une expérience d’écoulement libre à jet à TROPOS à Leipzig, fournissant pour la première fois cette preuve directe que la formation d’hydroxydes (ROOOH) se produit également dans des conditions atmosphériques à partir de la réaction de radicaux peroxy (RO2) avec des radicaux hydroxyle (OH) . Crédit : Tilo Arnold, TROPOS

Une équipe internationale de chercheurs a réussi à détecter pour la première fois des oxydes d’eau (ROOOH) dans des conditions atmosphériques.

Jusqu’à présent, l’existence de ces composés organiques avec le groupe OOOH inhabituel n’était qu’une supposition. Dans des expériences en laboratoire, sa formation lors de l’oxydation d’hydrocarbures importants, tels que l’isoprène et l’alpha-pinène, a été clairement démontrée.

Des données importantes pour cette nouvelle classe de composés ont été calculées à l’aide de calculs de chimie quantique et de calculs de modèles. L’oxydation de l’isoprène en produit environ 10 millions de tonnes métriques chaque année dans l’atmosphère terrestre. La durée de vie des ROOOH est estimée de quelques minutes à quelques heures.

Les hydrotrioxydes représentent une classe de substances jusque-là inaperçues dans l’atmosphère dont les effets sur la santé et l’environnement doivent être étudiés, écrivent des chercheurs dirigés par l’Institut Leibniz pour la recherche troposphérique (TROPOS) dans le numéro actuel de la revue scientifique populaire Science.

La couche inférieure de l’atmosphère de notre planète agit comme un énorme réacteur chimique dans lequel des centaines de millions de tonnes métriques d’hydrocarbures sont converties chaque année, créant éventuellement du dioxyde de carbone et de l’eau. Ces hydrocarbures sont émis par les forêts ou par des sources anthropiques. Divers processus d’oxydation se produisent, mais seuls certains d’entre eux sont bien compris. La recherche atmosphérique s’est récemment concentrée sur les hydrotrioxydes (ROOOH). Ce sont des substances gazeuses avec un groupe composé de trois atomes d’oxygène successifs « O » et d’hydrogène[{ » attribute= » »>atom “H,” which is bonded to an organic rest (R). Hydroperoxides (ROOH) with two oxygen atoms have long been known and proven.

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In the literature, it has previously been speculated that there could be substances in the atmosphere carrying not only two oxygen atoms (ROOH) but also three oxygen atoms (ROOOH). In organic synthesis, hydrotrioxides are used to form special oxidation products in the reaction with alkenes. However, these reactive and thermally unstable hydrotrioxides are produced there in organic solvents at very low temperatures around -80°C (-112°F) and further react. Whether this substance class also exists as a gas in the atmosphere at significantly higher temperatures was unknown until now.

Hydrotrioxides Experiments at TROPOS

Until now, there was only speculation about hydrotrioxides (ROOOH), that these organic compounds with the unusual OOOH group would exist. In laboratory experiments at TROPOS in Leipzig, their formation during the oxidation of important hydrocarbons, such as isoprene and alpha-pinene, could be clearly demonstrated now. Credit: Tilo Arnhold, TROPOS

In their study, researchers from the Leibniz Institute for Tropospheric Research (TROPOS), the University of Copenhagen, and the California Institute of Technology (Caltech) have now been able to provide direct evidence for the first time that the formation of hydrotrioxides also takes place under atmospheric conditions from the reaction of peroxy radicals (RO2) with hydroxyl radicals (OH). The laboratory investigations were mainly performed at TROPOS in Leipzig in a free-jet flow tube at room temperature and a pressure of 1 bar air — combined with the use of very sensitive mass spectrometers. Additional experimental information, especially on the stability of the hydrotrioxides, was provided by the investigations at Caltech. Quantum chemical calculations were performed by the University of Copenhagen to describe the reaction mechanisms as well as the temperature- and photostability of hydrotrioxides. Global simulations from TROPOS with the chemistry-climate model ECHAM-HAMMOZ enabled an initial assessment of the effects on the Earth’s atmosphere.

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“It is really exciting to show the existence of a universal new class of compounds formed from atmospherically prevalent precursors (RO2 and OH radicals),” reports Prof. Henrik G. Kjærgaard from the University of Copenhagen.

“It is very surprising that these interesting molecules are so stable with such a high oxygen content. Further research is needed to determine the role of hydrotrioxides for health and the environment,” emphasizes Dr. Torsten Berndt from TROPOS.

“Our study has shown that direct observation of hydrotrioxides using mass spectrometry is feasible. This means that it is now possible to further investigate these compounds in different systems including, perhaps, the quantification of their abundance in the environment,” explains Prof. Paul O. Wennberg from Caltech.

The significance of the first successful detection of this new substance class “hydrotrioxides” will only become clear in the next few years. However, with the experimental proof and the current knowledge, the research study by Berndt et al. has laid the first groundwork that should also awaken the interest of other research groups.

For more on this research, see New Type of Extremely Reactive Substance in the Atmosphere.

Reference: “Hydrotrioxide (ROOOH) formation in the atmosphere” by Torsten Berndt, Jing Chen, Eva R. Kjærgaard, Kristian H. Møller, Andreas Tilgner, Erik H. Hoffmann, Hartmut Herrmann, John D. Crounse, Paul O. Wennberg and Henrik G. Kjaergaard, 26 May 2022, Science.
DOI: 10.1126/science.abn6012