Los físicos y colegas de JILA han identificado una pieza que faltaba hace mucho tiempo en el rompecabezas de cómo la combustión de combustibles fósiles contribuye a la contaminación del aire y a un clima más cálido. Al realizar experimentos de química de una nueva manera, observaron una molécula clave que aparece brevemente durante un evento comúnReacción química en la atmósfera.
La reacción combina la molécula de hidroxilo OH, producida por reacción de oxígeno y agua y monóxido de carbono CO, un subproducto de la combustión incompleta de combustibles fósiles para formar hidrógeno H y dióxido de carbono CO 2 , un "gas de efecto invernadero" que contribuye al calentamiento global, así como al calor.
Los investigadores han estado estudiando esta reacción durante décadas y observaron que su velocidad tiene una dependencia anormal de la presión y la temperatura, lo que sugiere que hay un intermedio de corta duración, la molécula de hidrocarboxilo u HOCO. Pero hasta ahora, HOCO no se había observado directamente bajocondiciones como las de la naturaleza, por lo que los investigadores no pudieron calcular con precisión las presiones a las que la reacción se detiene en la etapa de HOCO o continúa rápidamente para crear los productos finales.
Como se describe en la edición del 28 de octubre de 2016 de ciencia , la detección directa de JILA del compuesto intermedio y las mediciones de su ascenso y caída bajo diferentes presiones y diferentes mezclas de gases atmosféricos revelaron el mecanismo de reacción, los rendimientos cuantificados del producto y los modelos teóricos probados que estaban incompletos a pesar de los esfuerzos rigurosos. JILA es una asociacióndel Instituto Nacional de Estándares y Tecnología NIST y la Universidad de Colorado Boulder.
"Seguimos la reacción paso a paso en el tiempo, incluyendo ver intermedios de corta duración y, por lo tanto, esquivos, que juegan un papel decisivo en los productos finales", dijo Jun Ye, miembro de JILA / NIST ". Finalmente entendiendo la reacción encompleto, podemos modelar los procesos químicos atmosféricos con mucha más precisión, incluso cómo se forma la contaminación del aire ".
Los investigadores de JILA están realizando la química de una manera nueva, controlando completamente las reacciones por medios artificiales en lugar de depender de la naturaleza. Usaron un láser para inducir la reacción dentro de un recipiente llamado celda de flujo de laboratorio, a través del cual las muestras de las moléculas que participan en elreacción y otros gases pasaron. Este proceso imitaba la naturaleza al usar gases encontrados en la atmósfera y sin catalizadores. Para evitar cualquier confusión en los resultados debido a la presencia de agua que contiene hidrógeno, los investigadores usaron deuterio, o hidrógeno pesado, enla molécula de hidroxilo, OD, para comenzar la reacción. Por lo tanto, buscaron el intermedio DOCO en lugar de HOCO. Durante el experimento, las concentraciones de CO y gases de nitrógeno variaron en un rango de presiones.
Utilizando la técnica de espectroscopía de peine de frecuencia patentada de JILA, que identifica los productos químicos y mide sus concentraciones en tiempo real en función de los colores de la luz que absorben, los investigadores midieron el OD inicial y el DOCO resultante a través de diversas presiones y concentraciones de gases atmosféricos a lo largo del tiempo, buscando condicionesbajo el cual DOCO se estabilizó o descompuso para formar CO 2 .
El equipo de JILA identificó un factor importante para la transferencia de energía debido a colisiones entre la molécula intermedia y las moléculas de CO y nitrógeno cercanas. Estas colisiones pueden estabilizar el DOCO intermedio o desactivarlo y alentar la reacción para que proceda a sus productos finales.
La técnica de espectroscopía de peine de frecuencia de JILA analiza productos químicos dentro de un recipiente de vidrio, en el que la luz del peine rebota hacia adelante y hacia atrás entre dos espejos. Las mediciones continuas y repetidas hacen que la técnica sea especialmente sensible y precisa para identificar "huellas digitales" de moléculas específicas. Este último experimentoutilizó nuevos "superreductores", que tienen recubrimientos cristalinos que reducen las pérdidas de luz y mejoran la sensibilidad de detección 10 veces.
Los resultados de JILA, especialmente los efectos de las colisiones moleculares, deben incluirse en las predicciones futuras del modelo atmosférico y de combustión, según el documento. Por ejemplo, incluso a bajas presiones, la reacción produce un rendimiento de DOCO de casi el 50 por ciento, lo que significa aproximadamentela mitad de las reacciones se detienen en la etapa intermedia.
Esta observación afecta los cálculos que van más allá de la Tierra: otros investigadores han demostrado que HOCO puede contribuir del 25 al 70 por ciento del CO total 2 concentración en la fría atmósfera marciana.
En el futuro, los investigadores de JILA planean extender el enfoque experimental para estudiar otros productos y procesos químicos. Un tema de interés son las reacciones que involucran agua y CO 2 , para ayudar a comprender cómo funciona el CO atmosférico 2 interactúa y acidifica los océanos. También son interesantes los estudios sobre la combustión del motor, que afecta el ahorro de combustible. Un motor de automóvil combina aire oxígeno y nitrógeno y combustible hidrocarburos para producir CO 2 y agua. La combustión incompleta crea CO.
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Materiales proporcionado por Instituto Nacional de Estándares y Tecnología NIST . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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