Nuovo tipo di sostanza estremamente reattiva scoperta nell’atmosfera

L'atmosfera del pianeta Terra

Una classe completamente nuova di composti chimici super-reattivi, i triossidi, è stata scoperta in condizioni atmosferiche.

Per la prima volta è stata trovata una classe completamente nuova di composti chimici super-reattivi in ​​condizioni atmosferiche. Scienziati dell’Università di Copenaghen, in stretta collaborazione con colleghi internazionali, hanno documentato la formazione dei cosiddetti triossidi, un composto chimico estremamente ossidante che probabilmente influisce sia sulla salute umana che sul clima globale.

Il perossido di idrogeno è un composto chimico comunemente noto. Poiché tutti i perossidi hanno due atomi di ossigeno attaccati l’uno all’altro, sono altamente reattivi e spesso combustibili ed esplosivi. Sono usati per tutto, dallo sbiancamento di denti e capelli, alla pulizia delle ferite e persino come carburante per missili. Tuttavia, i perossidi si trovano anche nell’aria che ci circonda.

Negli ultimi anni ci sono state speculazioni sul fatto che i triossidi – composti chimici con tre atomi di ossigeno attaccati l’uno all’altro e quindi anche più reattivi dei perossidi – si trovino anche nell’atmosfera. Ma fino ad ora, non era mai stato dimostrato inequivocabilmente.

“Questo è ciò che abbiamo ottenuto ora”, afferma il professor Henrik Grum Kjærgaard, presso il Dipartimento di Chimica dell’Università di Copenaghen. Kjærgaard è l’autore senior dello studio, pubblicato il 26 maggio 2022 sulla prestigiosa rivista, Scienza.

Henrik Grum Kjærgaard

Il professor Henrik Grum Kjærgaard in laboratorio. Credito: Università di Copenaghen

Lui continua:

“Il tipo di composti che abbiamo scoperto sono unici nella loro struttura. E, poiché sono estremamente ossidanti, molto probabilmente portano una serie di effetti che dobbiamo ancora scoprire”.

Gli idrotriossidi (ROOOH), come sono conosciuti, sono una classe completamente nuova di composti chimici. I ricercatori dell’Università di Copenaghen (UCPH), insieme ai colleghi del Leibniz Institute for Tropospher Research (TROPOS) e del California Institute of Technology (Caltech), hanno dimostrato che questi composti si formano in condizioni atmosferiche.

Sostanza estremamente reattiva in atmosfera

Reazione: ROO + OH → ROOOH (atomi di ossigeno in rosso). Quando i composti chimici vengono ossidati nell’atmosfera, spesso reagiscono con i radicali OH, formando tipicamente un nuovo radicale. Quando questo radicale reagisce con l’ossigeno, forma un terzo radicale chiamato perossido (ROO), che a sua volta può reagire con il radicale OH, formando così idrotriossidi (ROOOH). Credito: Università di Copenaghen

I ricercatori hanno anche dimostrato che gli idrotriossidi si formano durante la decomposizione atmosferica di diverse sostanze note e ampiamente emesse, tra cui isoprene e dimetilsolfuro.

“È abbastanza significativo che ora possiamo dimostrare, attraverso l’osservazione diretta, che questi composti si formano effettivamente nell’atmosfera, che sono sorprendentemente stabili e che sono formati da quasi tutti i composti chimici. Tutte le speculazioni devono ora essere messe a tacere”, afferma Jing Chen, dottorando presso il Dipartimento di Chimica e secondo autore dello studio.

Appena quanto

  • L’isoprene è uno dei composti organici più frequentemente emessi nell’atmosfera. Lo studio mostra che circa l’1% di tutto l’isoprene rilasciato si trasforma in idrotriossidi.
  • I ricercatori stimano che le concentrazioni di ROOOH nell’atmosfera siano di circa 10 milioni per cm3. In confronto, i radicali OH, uno dei più importanti ossidanti nell’atmosfera, si trovano in circa 1 milione di radicali per cm3.

Gli idrotriossidi si formano in una reazione tra due tipi di radicali (vedi illustrazione sotto). I ricercatori prevedono che quasi tutti i composti chimici formeranno idrotriossidi nell’atmosfera e stimano che la loro durata di vita varia da minuti a ore. Questo li rende abbastanza stabili da reagire con molti altri composti atmosferici.

Presumibilmente assorbito in aerosol

Il team di ricerca ha anche il forte sospetto che i triossidi possano penetrare in minuscole particelle sospese nell’aria, note come aerosol, che rappresentano un pericolo per la salute e possono portare a malattie respiratorie e cardiovascolari.

“Molto probabilmente entreranno negli aerosol, dove formeranno nuovi composti con nuovi effetti. È facile immaginare che negli aerosol si formino nuove sostanze nocive se inalate. Ma sono necessarie ulteriori indagini per affrontare questi potenziali effetti sulla salute”, afferma Henrik Grum Kjærgaard.

Sebbene gli aerosol abbiano anche un impatto sul clima, sono una delle cose più difficili da descrivere nei modelli climatici. E secondo i ricercatori, c’è un’alta probabilità che gli idrotriossidi abbiano un impatto sul numero di aerosol prodotti.

Esperimento di flusso a getto libero presso TROPOS

Allestimento in laboratorio dell’esperimento del flusso a getto libero presso il TROPOS di Lipsia, con la dimostrazione diretta che per la prima volta è stata fornita la prova diretta che la formazione di idrotriossidi (ROOOH) avviene anche in condizioni atmosferiche dalla reazione dei radicali perossidici (RO2) con radicali idrossilici (OH). Credito: Tilo Arnhold, TROPOS

“Poiché la luce solare è sia riflessa che assorbita dagli aerosol, ciò influisce sul bilancio termico della Terra, ovvero il rapporto tra la luce solare che la Terra assorbe e rimanda nello spazio. Quando gli aerosol assorbono sostanze, crescono e contribuiscono alla formazione di nubi, che influisce anche sul clima terrestre”, afferma il coautore e PhD. studente, Eva R. Kjærgaard.

L’effetto del composto deve essere studiato ulteriormente

I ricercatori sperano che la scoperta degli idrotriossidi ci aiuterà a saperne di più sull’effetto delle sostanze chimiche che emettiamo.

“La maggior parte delle attività umane porta all’emissione di sostanze chimiche nell’atmosfera. Quindi, la conoscenza delle reazioni che determinano la chimica dell’atmosfera è importante se vogliamo essere in grado di prevedere come le nostre azioni influenzeranno l’atmosfera in futuro”, afferma il coautore e post-dottorato, Kristan H. Møller.

Esperimenti sugli idrotriossidi a TROPOS

Fino ad ora, c’era solo la speculazione sugli idrotriossidi (ROOOH), che questi composti organici con l’insolito gruppo OOOH sarebbero esistiti. Negli esperimenti di laboratorio al TROPOS di Lipsia, la loro formazione durante l’ossidazione di importanti idrocarburi, come isoprene e alfa-pinene, potrebbe essere ora chiaramente dimostrata. Credito: Tilo Arnhold, TROPOS

Tuttavia, né lui né Henrik Grum Kjærgaard sono preoccupati per la nuova scoperta:

“Questi composti sono sempre esistiti, semplicemente non li conoscevamo. Ma il fatto che ora abbiamo le prove che i composti si formano e vivono per un certo periodo di tempo significa che è possibile studiarne gli effetti in modo più mirato e rispondere se si rivelano pericolosi”, afferma Henrik Grum Kjærgaard.

“La scoperta suggerisce che potrebbero esserci molte altre cose nell’aria di cui non sappiamo ancora. In effetti, l’aria che ci circonda è un enorme groviglio di complesse reazioni chimiche. Come ricercatori, dobbiamo mantenere una mente aperta se vogliamo migliorare nel trovare soluzioni”, conclude Jing Chen.

Riferimento: “Formazione di idrotriossido (ROOOH) nell’atmosfera” di Torsten Berndt, Jing Chen, Eva R. Kjærgaard, Kristian H. Møller, Andreas Tilgner, Erik H. Hoffmann, Hartmut Herrmann, John D. Crounse, Paul O. Wennberg e Henrik G. Kjaergaard, 26 maggio 2022, Scienza.
DOI: 10.1126/science.abn6012

Circa lo studio

  • Mentre le teorie alla base dei nuovi risultati della ricerca sono state sviluppate a Copenaghen, gli esperimenti sono stati condotti utilizzando la spettrometria di massa, in parte presso il Leibniz Institute for Tropospher Research (TROPOS) in Germania e in parte presso il California Institute of Technology (Caltech) negli Stati Uniti .
  • Sebbene in molti esperimenti debbano essere utilizzate concentrazioni più elevate, questi esperimenti vengono eseguiti in un ambiente quasi identico all’atmosfera, il che rende i risultati molto affidabili e paragonabili all’atmosfera. La misurazione degli idrotriossidi è stata resa possibile utilizzando strumenti di misura incredibilmente sensibili.
  • Lo studio è stato condotto da: Torsten Berndt, Andreas Tilgner, Erik H. Hoffmann e Hartmut Hermann del Leibniz Institute for Tropospher Research (TROPOS); Jing Chen, Eva R. Kjærgaard, Kristian H. Møller e Henrik Grum Kjærgaard presso il Dipartimento di Chimica dell’Università di Copenaghen; e John D. Crounse e Paul O. Wennberg al Caltech.

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