Des chercheurs découvrent une nouvelle source d'acide formique sur les océans Pacifique et Indien

Anonim

Les expériences menées par les laboratoires nationaux Sandia, conçues pour éloigner les systèmes chimiques, ont permis à un groupe international de chercheurs de découvrir une nouvelle source majeure d’acide formique sur les océans Pacifique et Indien.

La découverte a été publiée dans le numéro du 3 juillet de Nature Communications. Le projet était une collaboration entre Sandia, l'Université de New South Wales, l'Université de Leeds, l'Université du Pacifique et l'Université du Minnesota.

En plus d'être le plus petit acide organique et un produit chimique important pour la communication entre fourmis, l'acide formique est l'acide organique le plus abondant dans l'atmosphère mondiale et une source majeure d'acidité des eaux pluviales. Cependant, les modèles atmosphériques globaux sous-estiment considérablement la quantité d'acide formique présente dans la troposphère par rapport aux mesures directes. Étant donné que l'acide formique se situe à l'extrémité de l'oxydation des hydrocarbures, cette sous-estimation remet en cause les connaissances scientifiques actuelles sur la dégradation des hydrocarbures dans l'atmosphère. Il est essentiel de comprendre l'origine de cette sous-estimation, car les prévisions précises de la qualité de l'air et des impacts des aérosols sur le climat reposent sur une bonne représentation de la chimie atmosphérique des hydrocarbures. La nouvelle recherche met en évidence comment les processus de non-équilibre rapprochent les modèles de la réalité, mais avec une tournure inattendue.

Inspiré par des travaux antérieurs menés par le chercheur Sandia Craig Taatjes en chimie de la combustion, le chimiste physique Sandia, David Osborn, et ses collègues ont émis l’hypothèse que l’alcool vinylique pourrait être un précurseur chimique de l’acide formique manquant.

Cependant, il y avait un problème: l'alcool vinylique est une forme métastable, ou isomère, de l'acétaldéhyde, une molécule commune. À l'équilibre et à la température ambiante, il n'y a qu'une seule molécule d'alcool vinylique pour 3, 3 millions de molécules d'acétaldéhyde. Quelque chose devrait pousser ce mélange loin de sa composition naturelle pour qu'il y ait suffisamment de molécules d'alcool vinylique pour avoir un impact potentiel sur les concentrations d'acide formique.

La réponse à ce casse-tête est venue des explorations d'Osborn d'un grand défi scientifique du Bureau des sciences de l'énergie de base du DOE, qui a financé les travaux: exploiter les systèmes loin de l'équilibre. Le fait de forcer un système chimique loin de l’équilibre pourrait permettre aux chimistes d’explorer des configurations moléculaires inhabituelles qui pourraient avoir des propriétés intéressantes pour la capture d’énergie et le stockage de l’énergie.

L'équipe d'Osborn a pensé que les photons, en particulier la lumière ultraviolette, seraient un outil idéal pour conduire un système chimique loin de l'équilibre, mais les collisions entre les molécules conduisent inévitablement à une restauration de l'équilibre. Pour cette raison, il n'était pas clair si l'approche fonctionnerait à la pression atmosphérique, où la collision entre les molécules se produit environ 7 milliards de fois par seconde.

Les conditions de non-équilibre jouent un rôle dans la nouvelle chimie

En utilisant la spectroscopie infrarouge pour analyser les molécules après irradiation avec la lumière ultraviolette, imitant ainsi la lumière du soleil, Osborn et son équipe ont confirmé que les longueurs d’onde de 300 à 330 nanomètres peuvent réorganiser les atomes d’acétaldéhyde en alcool vinylique. Les expériences ont montré que lorsque 100 molécules d'acétaldéhyde absorbent les photons ultraviolets dans cette gamme de longueurs d'onde, quatre d'entre elles en moyenne sont converties en alcool vinylique. Le processus persiste même à la pression atmosphérique, de sorte que les molécules qui ont absorbé la lumière sont entraînées par un facteur de 100 000 à partir d'un mélange d'équilibre.

"Cette augmentation spectaculaire de la concentration en alcool vinylique permet désormais une nouvelle chimie d'oxydation qui n'est pas possible avec l'acétaldéhyde", a déclaré Osborn.

Son équipe a postulé que l'alcool vinylique pourrait être oxydé pour donner de l'acide formique, une voie soutenue par des calculs théoriques récents qui prédisaient une constante de vitesse pour ce processus. Avec les détails expérimentaux et théoriques en main, les collaborateurs d'Osborn pourraient ajouter cette chimie aux modèles locaux et globaux de l'atmosphère terrestre pour voir comment elle pourrait modifier les concentrations d'acide formique.

"Cette nouvelle chimie produit environ 3, 4 milliards de tonnes d'acide formique supplémentaires par an dans le modèle, mais cela ne représente que 7% de l'acide formique dans le modèle mondial", a déclaré Osborn. "Cela ne suffit pas à résoudre le mystère des sources manquantes d’acide formique qui font que les modèles ne sont pas d’accord avec les expériences. Cependant, cette nouvelle chimie représente plus de 50% de la production totale d’acide formique modélisé dans les océans Pacifique et Indien. résultat qui était complètement inattendu et qui pourrait expliquer l'origine mystérieuse de l'acide formique sur les océans ouverts. "

Importance de repousser les équilibres passés

Depuis 1999, Osborn a exploré les mécanismes des réactions chimiques en phase gazeuse au centre de recherche sur la combustion de Sandia. Les températures élevées rencontrées dans la combustion pratique constituent un terrain fertile pour tester les questions fondamentales de la réactivité chimique. L'amélioration de la compréhension fondamentale du changement chimique concerne directement les objectifs du Département de l'énergie qui couvrent des disciplines telles que la capacité de transformer l'énergie de manière contrôlée entre des réservoirs électriques, chimiques et cinétiques.

"Cette recherche montre comment les photons peuvent pousser les systèmes loin de l'équilibre, créant de nouvelles voies chimiques qui pourraient permettre un contrôle accru des transformations énergétiques, même dans des environnements avec de nombreuses collisions aléatoires qui cherchent à rétablir l'équilibre".

La recherche démontre également comment la science fondamentale financée par le DOE peut avoir des impacts inattendus dans d'autres domaines importants pour la société, tels que la chimie atmosphérique.

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