Peneliti menemukan sumber asam format baru di Pasifik, samudra Hindia

Rob Dunbar: The threat of ocean acidification (Juli 2019).

Anonim

Wawasan dari eksperimen di Sandia National Laboratories yang dirancang untuk mendorong sistem kimia yang jauh dari kesetimbangan memungkinkan sekelompok peneliti internasional untuk menemukan sumber utama asam format baru di Pasifik dan lautan India.

Penemuan ini dipublikasikan dalam edisi 3 Juli Nature Communications. Proyek ini merupakan kolaborasi antara Sandia, Universitas New South Wales, Universitas Leeds, Universitas Pasifik, dan Universitas Minnesota.

Selain sebagai asam organik terkecil dan bahan kimia penting untuk komunikasi di antara semut, asam format adalah asam organik yang paling melimpah di atmosfer global dan sumber utama keasaman air hujan. Namun demikian, model atmosfer global secara signifikan tidak mengimbangi jumlah asam format yang ada di troposfer dibandingkan dengan pengukuran langsung. Karena asam format terletak pada titik akhir oksidasi hidrokarbon, ini meremehkan panggilan ke pertanyaan pemahaman ilmiah saat ini degradasi hidrokarbon di atmosfer. Sangat penting untuk memahami asal-usul underprediction ini, karena prediksi akurat kualitas udara dan dampak aerosol pada iklim bergantung pada representasi suara kimia hidrokarbon atmosfer. Penelitian baru menyoroti bagaimana proses nonequilibrium membawa model lebih dekat dengan kenyataan, tetapi dengan twist yang tidak terduga.

Terinspirasi oleh karya sebelumnya yang dipimpin oleh Sandia peneliti Craig Taatjes dalam kimia pembakaran, ahli kimia fisik Sandia David Osborn dan rekannya berhipotesis bahwa vinil alkohol bisa menjadi prekursor kimia untuk asam format yang hilang.

Namun, ada halangan: vinil alkohol adalah bentuk metastabil, atau isomer, dari molekul acetaldehyde yang umum. Pada kesetimbangan dan suhu kamar, hanya ada satu molekul vinil alkohol untuk setiap 3, 3 juta molekul acetaldehyde. Sesuatu akan perlu mendorong campuran ini jauh dari komposisi alaminya karena ada cukup banyak molekul vinil alkohol yang berpotensi mempengaruhi konsentrasi asam formiat.

Jawaban atas teka-teki ini datang melalui eksplorasi Osborn tentang Tantangan Agung ilmiah mendasar dari Kantor Ilmu Energi Dasar DOE, yang mendanai pekerjaan: untuk memanfaatkan sistem yang jauh dari keseimbangan. Memaksa sistem kimia yang jauh dari kesetimbangan dapat memungkinkan ahli kimia untuk mengeksplorasi konfigurasi molekuler yang tidak biasa yang mungkin memiliki sifat berharga untuk penangkapan energi dan penyimpanan energi.

Tim Osborn mengira bahwa foton — khususnya sinar ultraviolet — akan menjadi alat yang ideal untuk mendorong sistem kimia yang jauh dari kesetimbangan, tetapi tabrakan antar molekul pasti akan mengarah pada pemulihan keseimbangan. Untuk alasan ini, tidak jelas apakah pendekatan akan bekerja pada tekanan atmosfer, di mana tabrakan antar molekul terjadi sekitar 7 miliar kali setiap detik.

Kondisi nonequilibrium kunci dalam kimia baru

Menggunakan spektroskopi inframerah untuk menganalisis molekul setelah radiasi dengan sinar ultraviolet, sehingga meniru sinar matahari, Osborn dan timnya menegaskan bahwa panjang gelombang dari 300-330 nanometer dapat mengatur ulang atom dalam asetaldehida, mengubahnya menjadi vinil alkohol. Percobaan menunjukkan bahwa ketika 100 molekul acetaldehyde menyerap foton ultraviolet dalam rentang panjang gelombang ini, rata-rata empat dari mereka diubah menjadi vinil alkohol. Proses ini bertahan bahkan pada tekanan atmosfir, sehingga molekul yang telah menyerap cahaya didorong oleh faktor sebesar 100.000 dari campuran kesetimbangan.

"Peningkatan dramatis dalam konsentrasi alkohol vinil sekarang memungkinkan kimia oksidasi baru yang tidak mungkin dari acetaldehyde, " kata Osborn.

Timnya mendalilkan bahwa vinil alkohol dapat dioksidasi untuk menghasilkan asam format, jalur yang didukung oleh perhitungan teoritis baru-baru ini yang memprediksi tingkat konstan untuk proses ini. Dengan rincian eksperimental dan teoritis di tangan, para kolaborator Osborn dapat menambahkan chemistry ini ke model lokal dan global atmosfer bumi untuk melihat bagaimana hal itu dapat mengubah konsentrasi asam formiat.

"Kimia baru ini menghasilkan sekitar 3, 4 miliar ton asam format tambahan per tahun dalam model, tetapi ini hanya berjumlah 7 persen dari asam format dalam model global, " kata Osborn. "Ini tidak cukup untuk memecahkan misteri sumber yang hilang dari asam format yang menyebabkan model untuk tidak setuju dengan percobaan. Namun, ini kimia baru menyumbang lebih dari 50 persen dari total produksi asam format yang dimodelkan selama Pasifik dan samudra Hindia, sebuah hasil yang benar-benar tidak terduga dan dapat menjelaskan asal usul sebelumnya dari asam format di atas lautan terbuka. "

Pentingnya mendorong ekuilibrium masa lalu

Sejak 1999, Osborn telah mengeksplorasi mekanisme reaksi kimia fase gas di Fasilitas Penelitian Pembakaran Sandia. Suhu tinggi yang ditemui dalam pembakaran praktis menyediakan lahan subur untuk menguji pertanyaan mendasar dari reaktivitas kimia. Meningkatkan pemahaman mendasar tentang perubahan kimia secara langsung membahas tujuan Departemen Energi yang mencakup disiplin, seperti kemampuan untuk mengubah energi dengan cara yang terkontrol antara waduk listrik, kimia, dan kinetik.

"Penelitian ini menunjukkan bagaimana foton dapat mendorong sistem yang jauh dari kesetimbangan, menciptakan jalur kimia baru yang dapat memungkinkan peningkatan kontrol atas transformasi energi, bahkan di lingkungan dengan banyak tumbukan pengacakan yang berusaha untuk membangun kembali keseimbangan, " kata Osborn.

Penelitian ini juga menunjukkan bagaimana ilmu pengetahuan dasar yang dibiayai DOE dapat memiliki dampak tak terduga di bidang lain yang penting bagi masyarakat, seperti kimia atmosfer.

menu
menu