In der Atmosphäre wurde eine neue Art von hochreaktivem Material entdeckt

Eine völlig neue Klasse superreaktiver chemischer Verbindungen, Trioxide, wurde unter atmosphärischen Bedingungen entdeckt.

Erstmals wurde eine völlig neue Klasse chemischer Verbindungen gefunden, die unter atmosphärischen Bedingungen superreaktiv sind. Wissenschaftler der Universität Kopenhagen haben in enger Zusammenarbeit mit ihren internationalen Kollegen die Bildung des sogenannten Trioxids dokumentiert – einer stark oxidierenden chemischen Verbindung, die höchstwahrscheinlich die menschliche Gesundheit und unser globales Klima beeinträchtigt.

Wasserstoffperoxid ist eine bekannte chemische Verbindung. Da alle Peroxide zwei miteinander verbundene Sauerstoffatome enthalten, sind sie hochreaktiv und oft brennbar und explosiv. Sie werden für alles verwendet, von der Zahn- und Haaraufhellung bis zur Wundreinigung und sogar als Raketentreibstoff. Peroxide sind jedoch auch in der Luft um uns herum zu finden.

In den letzten Jahren wurde darüber spekuliert, ob Trioxide – chemische Verbindungen mit drei aneinander gebundenen Sauerstoffatomen und daher reaktiver als Peroxide – auch in der Atmosphäre vorhanden sind. Aber bisher ist dies noch nicht endgültig bewiesen.

“Das haben wir jetzt erreicht”, sagt Professor Henrik Grom Kjærgaard vom Fachbereich Chemie der Universität Kopenhagen. Kjærgaard ist der Hauptautor der Studie, die am 26. Mai 2022 in der renommierten Fachzeitschrift veröffentlicht wurde. Wissenschaften.

Henrik Grum Kjærgaard

Professor Henrik Grum Kjærgaard im Labor. Quelle: Universität Kopenhagen

fortsetzen:

Die Art der von uns entdeckten Verbindungen ist in ihrer Struktur einzigartig. Und weil es stark oxidierend ist, bringt es wahrscheinlich eine Reihe von Effekten mit sich, die wir noch nicht enthüllt haben.“

Hydroxide (ROOOH), wie sie genannt werden, sind eine völlig neue Klasse chemischer Verbindungen. Forscher der Universität Kopenhagen (UCPH) haben zusammen mit Kollegen des Leibniz Tropospheric Research Institute (TROPOS) und des California Institute of Technology (Caltech) gezeigt, dass sich diese Verbindungen unter atmosphärischen Bedingungen bilden.

Eine hochreaktive Substanz in der Atmosphäre

Reaktion: ROO + OH → ROOOH (Sauerstoffatome in rot). Wenn chemische Verbindungen in der Atmosphäre oxidiert werden, reagieren sie oft mit OH-Radikalen und bilden neue Radikale. Wenn dieses Radikal mit Sauerstoff reagiert, bildet es ein drittes Radikal namens Peroxid (ROO), das wiederum mit OH-Radikalen reagieren kann und so Hydroxide (ROOOH) bildet. Quelle: Universität Kopenhagen

Die Forscher zeigten auch, dass Hydrotrioxide während der atmosphärischen Zersetzung mehrerer bekannter und weit verbreiteter Substanzen, darunter Isopren und Dimethylsulfid, gebildet werden.

„Es ist sehr wichtig, dass wir jetzt durch direkte Beobachtung zeigen können, dass sich diese Verbindungen tatsächlich in der Atmosphäre bilden, dass sie überraschend stabil sind und dass sie aus fast allen chemischen Verbindungen bestehen“, sagt Jing Chen, a Doktorand am Fachbereich Chemie und Zweitautor der Studie Alle Spekulationen müssen nun beiseite geschoben werden.

nur wie viel

  • Isopren ist eine der am häufigsten in die Atmosphäre emittierten organischen Verbindungen. Die Studie zeigte, dass etwa 1 % des freigesetzten Isoprens in Hydrotrioxide umgewandelt wird.
  • Forscher schätzen, dass die ROOOH-Konzentration in der Atmosphäre etwa 10 Millionen pro cm beträgt3. Zum Vergleich: OH-Radikale sind mit etwa einer Million Radikalen pro cm² eines der wichtigsten Oxidationsmittel in der Atmosphäre.3.

Hydrotrioxide werden in einer Reaktion zwischen zwei Arten von Radikalen gebildet (siehe Abbildung unten). Forscher sagen voraus, dass fast alle chemischen Verbindungen in der Atmosphäre Wasserstoffoxide bilden werden, und schätzen ihre Lebensdauer auf Minuten bis Stunden. Dadurch ist es stabil genug, um mit vielen anderen Luftfahrzeugen zu interagieren.

Vermutlich in Aerosolen absorbiert

Das Forscherteam hat auch Kohlenstofftrioxid unter starkem Verdacht, dass es in der Lage ist, feine luftgetragene Partikel, sogenannte Aerosole, zu durchdringen, die gesundheitsgefährdend sind und zu Atemwegs- und Herz-Kreislauf-Erkrankungen führen können.

Sie gelangen eher in das Aerosol, wo sie neue Verbindungen mit neuen Wirkungen bilden. Man kann sich leicht vorstellen, dass in Aerosolen neue Stoffe entstehen, die beim Einatmen gesundheitsschädlich sind. „Weitere Untersuchungen sind erforderlich, um diese potenziellen gesundheitlichen Auswirkungen anzugehen“, sagt Henrik Grum Kjærgaard.

Obwohl Aerosole auch das Klima beeinflussen, gehören sie zu den am schwierigsten in Klimamodellen zu beschreibenden. Laut den Forschern besteht eine hohe Wahrscheinlichkeit, dass wässrige Oxide die Anzahl der erzeugten Aerosole beeinflussen.

TROPOS FREE FLOW ERFAHRUNG

Der Laboraufbau eines Jet-Free-Flow-Experiments am TROPOS in Leipzig liefert erstmals diesen direkten Nachweis, dass die Bildung von Hydroxiden (ROOOH) auch unter atmosphärischen Bedingungen durch die Reaktion von Peroxyradikalen (RO2) mit Hydroxylradikalen (OH) erfolgt . Bildnachweis: Tilo Arnhold, TROPOS

“Da das Sonnenlicht von den Aerosolen reflektiert und absorbiert wird, wirkt sich dies auf den Wärmehaushalt der Erde aus – den Anteil des Sonnenlichts, den die Erde absorbiert und zurück ins All sendet. Wenn Aerosole Stoffe aufnehmen, wachsen sie und tragen zur Wolkenbildung bei, was sich auf das Erdklima auswirkt.” gut. “, sagt der Co-Autor und PhD. Student, Eva R. Kjærgaard.

Die Wirkung der Verbindung muss weiter untersucht werden

Die Forscher hoffen, dass die Entdeckung von Wasseroxiden uns helfen wird, mehr über die Wirkung der von uns abgegebenen Chemikalien zu erfahren.

Die meisten menschlichen Aktivitäten führen zur Freisetzung von Chemikalien in die Atmosphäre. Daher ist es wichtig, die Wechselwirkungen zu kennen, die die Atmosphärenchemie bestimmen, wenn wir in der Lage sein wollen, vorherzusagen, wie sich unsere Handlungen in Zukunft auf die Atmosphäre auswirken werden“, sagt Co-Autor und Postdoc Christian H. Muller.

Hydrotrioxid-Experimente im TROPOS

Über Hydrotrioxide (ROOOH) wurde bisher nur spekuliert, dass diese organischen Verbindungen mit der ungewöhnlichen OOOH-Gruppe vorkommen würden. In Laborversuchen am TROPOS in Leipzig kann nun seine Entstehung bei der Oxidation wichtiger Kohlenwasserstoffe wie Isopren und Alpha-Pinen nachgewiesen werden. Bildnachweis: Tilo Arnhold, TROPOS

Weder er noch Henrik Grom Kiergaard sind jedoch besorgt über die neue Entdeckung:

„Diese Verbindungen gab es schon immer – wir wussten nichts über sie. Aber die Tatsache, dass wir jetzt Beweise dafür haben, dass sich Verbindungen bilden und für eine bestimmte Zeit leben, bedeutet, dass es möglich ist, ihre Wirkung gezielter zu untersuchen und zu reagieren, wenn sie sich umdrehen.“ als gefährlich herausstellen”, sagt Henrik Grum Kjærgaard.

“Die Entdeckung legt nahe, dass es noch viele andere Dinge in der Luft geben kann, von denen wir noch nichts wissen. Tatsächlich ist die Luft um uns herum ein riesiges Gewirr komplexer chemischer Reaktionen. Als Forscher müssen wir offen sein – wenn wir uns besser weiterentwickeln wollen, Lösungen zu finden“, schließt Jing Chen.

Referenz: „The Formation of Hydrotrioxide (ROOOH) in the Atmosphere“ von Torsten Berndt, Jing Chen und Eva R. Henrik G. Kjaergaard, 26. Mai 2022, hier verfügbar. Wissenschaften.
DOI: 10.1126 / science.abn6012

Über das Studium

  • Während die Theorien hinter den neuen Forschungsergebnissen in Kopenhagen entwickelt wurden, wurden Experimente mit Massenspektrometrie durchgeführt, teilweise am Leibniz-Institut für Troposphärenforschung (TROPOS) in Deutschland und teilweise am California Institute of Technology (Caltech) in den Vereinigten Staaten.
  • Während bei vielen Experimenten höhere Konzentrationen verwendet werden müssen, werden diese Experimente in einer Umgebung durchgeführt, die fast identisch mit der Atmosphäre ist, was die Ergebnisse sehr zuverlässig und mit der Atmosphäre vergleichbar macht. Die Messung von Hydroxiden wird durch hochempfindliche Messgeräte ermöglicht.
  • Die Studie wurde durchgeführt von: Torsten Berndt, Andreas Tilgner, Erik H. Hoffmann und Hartmut Hermann vom Leibniz-Institut für Troposphärenforschung (TROPOS); Jing Chen und Eva R. Kiergaard, Christian H. Muller und Henrik Grom Kiergaard in der Fakultät für Chemie der Universität Kopenhagen; und John D. Krones und Paul Weinberg am California Institute of Technology.

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