ВИВЧЕННЯ МОЖЛИВОСТІ ТА УМОВ ІНІЦІЮВАННЯ ВІЛЬНОРАДИКАЛЬНОЇ РЕАКЦІЇ НА ПОВЕРХНІ КРИЖАНИХ КРИСТАЛІВ НА ПРИКЛАДІ РЕАКЦІЇ БРОМУВАННЯ ТОЛУОЛУ
DOI:
https://doi.org/10.30836/igs.2522-9753.2024.323346Ключові слова:
крига, вільні радикали, бромування, толуол, снігАнотація
Полярний приповерхневий сніг активно впливає на перебіг хімічних реакцій, змінюючи склад домішок як у снігу, так у прилеглій атмосфері. Проте механізми та рушійні сили цих реакцій все ще не є повністю з’ясованими, оскільки за існуючими моделями не можна пояснити всіх наявних польових даних. Проведено вивчення трибохімічних процесів на поверхні льодових часточок в умовах лабораторії з використанням низькотемпературного реактора за інтенсивного перемішування. Уперше показано, що, контролюючи вплив чинників, які стимулюють електризацію льоду, можна впливати на ініціювання та напрямок перебігу хімічної реакції на його поверхні. Встановлено, що за наявності льоду реакція бромування толуолу проходить вільнорадикальним шляхом з утворенням бензилброміду, а за відсутності льоду реакція йде «традиційно» з бромуванням у бензойне ядро.
Посилання
Кiprianov А.I., 1975. Introduction to the electron theory of organic compounds, Кyiv: Naukova dumka. 190 p.
Tkachenko. E.Y., Varzatskii О.А., Lozovoy М.А., 2015. "Cold combustion" as a new method of toxic waste destruction Science Rise. Vol. 5. No. 10. Pp. 106–110. (In Russian). http://dx.doi.org/10.15587/2313-8416.2015.42289
Abbatt, J.P.D., Thomas, J.L., Abrahamsson, K., Boxe, C., Granfors, A., Jones, A.E., King, M.D., Saiz-Lopez, A., Shepson, P.B., Sodeau, J., Toohey, D.W., Toubin, C., von Glasow, R., Wren, S.N., Yang, X., 2012. Halogen activation via interactions with environmental ice and snow in the polar lower troposphere and other regions. Atmos. Chem. Phys. Vol. 12. Pp. 6237–6271. https://doi.org/10.5194/acp-12-6237-2012
Apello C.A.J and Postma D., 2005. Geochemistry, Groundwater and Pollution, CRS Press, London, 683p.
Avila E.E., Caranti G.M., 1994. A laboratory study of static charging by fracture in ice growing by riming. J. Geophys.Res. Vol. 90, (. D5). Pp. 1061110620. https://doi.org/10.1029/93JD02926
Bartels-Rausch T., Jacobi H.-W., Kahan T. F., Thomas J. L., Thomson E. S., Abbatt J. P. D., Ammann M., Blackford J. R., Bluhm H., Boxe C., Domine F., Frey M. M., Gladich I., Guzmán M. I., Heger D., Huthwelker Th., Klán P., Kuhs W. F., Kuo M. H., Maus S., Moussa S. G., McNeill V. F., Newberg J. T., Pettersson J. B. C., Roeselová M., Sodeau J. R., 2014. A review of air–ice chemical and physical interactions (AICI): liquids, quasi-liquids, and solids in snow, Atmos. Chem. Phys. Vol. 14. Pp. 1587–1633. https://doi.org/10.5194/acp-14-1587-2014
Bjerrum N., 1952. Structure and Properties of Ice. Science. Vol. 115, № 2989. Pp. 385. https://doi.org/10.1126/science.115.2989.385
Blechschmidt A.-M., Richter A., Burrows J.P., Kaleschke L., Strong K., Theys N., Weber M., Zhao X., Zien A., 2015. An exemplary case of a bromine explosion event linked to cyclone development in the Arctic. Atmos. Chem. Phys. Vol. 15 (17), Pp. 24955–24993. https://doi.org/10.5194/acp-16-1773-2016
Edebeli J., Trachsel J., Avak S.E., Ammann M., Schneebeli M., Eichler A. Bartels-Rausch T., 2020. Snow heterogeneous reactivity of bromide with ozone lost during snow metamorphism. Atmos. Chem. and Phys., Vol. 20(21). Pp. 1344313454. https://doi.org/10.5194/acp-20-13443-2020
Bougoudis I., Blechschmidt A-M., Richter A., Seo S., Burrows J. Ph., Theys N., Rinke A., 2020. Long-term time series of Arctic tropospheric BrO derived from UV–VIS satellite remote sensing and its relation to first-year sea ice. Atmos. Chem. Phys, Vol. 20. Pp. 11869–11892. https://doi.org/10.5194/acp-20-11869-2020
Dong Y., Hallett J., 1992. Charge separation by ice and water drops during growth and evaporations. J. Geophys. Res. Vol. 97. No. D18. Pp. 20361–20371. https://doi.org/10.1029/92JD02075
Finlayson-Pitts B.J., 2003. The tropospheric chemistry of sea salt: a molecular-level view of the chemistry of NaCl and NaBr. Chem. Rev. Vol. 103. Pp. 4801–4822. https://doi.org/10.1021/cr020653t
Grannas A.M., Jones A.E., Dibb J., Ammann M., Anastasio C., Beine H.J., Bergin M., Bottenheim J., Boxe C.S., Carver G., 2007. An overview of snow photochemistry: evidence, mechanisms and impacts. Atmos. Chem. Phys. Vol. 7. Pp. 4329–4373. https://doi.org/10.5194/acp-7-4329-2007
Frieß U.J., Hollwedel J., König-Langlo G., Wagner T., Platt U., 2004. Dynamics and chemistry of tropospheric bromine explosion events in the Antarctic coastal region. J. Geophys. Res. Vol. 109, D06305. https://doi.org/10.1029/2003JD004133
Frieß U., Sihler H., Sander R., Pohler D., Yilmaz S., Platt U., 2011. The vertical distribution of BrO and aerosols in the Arctic: measurements by active and passive differential optical absorption spectroscopy. J. Geophys. Res. Vol. 116. D00R04. https://doi.org/10.1029/2011JD015938
Honrath R. E., Peterson M. C., Guo S., Dibb J. E., Shepson P. B., Campbell B., 1999. Evidence of NOx production within or upon ice particles in the Greenland snowpack, Geophys. Res. Lett. Vol. 26. Pp. 695–698. https://doi.org/10.1029/1999GL900077
Jones A.E., Anderson P.S., Begoin M., Brough N., Hutterli M.A., Marshall G.J., Richter A., Roscoe H.K., 2009. BrO, blizzards, and drivers of polar tropospheric ozone depletion events. Atmos. Chem. Phys. Vol. 9. Pp. 46394652. http://dx.doi.org/10.5194/acpd-9-8903-2009
Kaleschke L., Richter A., Burrows J.P., Afe O., Heygster G., Notholt., Rankin A. M., Roscoe H.K., Hollweddel J., Wagner T., Jacobi H.-W., 2004. Frost flowers on sea ice as a source of sea salt and their influence on tropospheric halogen chemistry. Geophys. Res. Lett. Vol. 31. Pp. L16114, https://doi.org/10.1029/2004GL020655
Lieb-Lappen R.M., Obbard R.W., 2015. The role of blowing snow in the activation of bromine over first-year Antarctic sea ice. Atmos. Chem. Phys., Vol. 15. Pp. 7537–7545, https://doi.org/10.5194/acp-15-7537-2015.
Mauldin III R. L., Eisele F. L., Tanner D. J., Kosciuch E., Shetter R., Lefer B., Hall S. R., Nowak J. B., Buhr M., Chen G., Wang P., David D., 2001. Measurements of OH, H2SO4 and MSA at the South Pole during ISCAT Geophys. Res. Lett. Vol. 28. Pp. 3629. https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/journal/19448007
Mukherjee R., Ahmadi S.F., Zhang H., Qiao R., Boreyko J.B., 2021. Electrostatic jumping of frost. ACS Nano. Vol. 15(3). P. 46694677. https://doi.org/10.1021/acsnano.0c09153
Nelson J., Baker M., 2003.Charging of ice-vapor interfaces: applications to thunderstorms. Atmos. Chem. Phys. Vol. 3. Pp. 12371252. http://dx.doi.org/10.5194/acp-3-1237-2003
Oum K.W., Lakin M.J., Finlayson-Pitt B.J., 1998. Bromine activation in the troposphere by the dark reaction of O3 with seawater ice. Geophys. Res. Lett. Vol. 25. No. 21. Pp. 39233926. https://doi.org/10.1029/1998GL900078
Petrenko V. F., 1996. Electromechanical Phenomena in Ice. Special Report 96-2. Cold Regions Research & Engineering Laboratory. US Army Corps of Engineers.
Petrenko V. F., Whitworth R.W., 2003. Physics of Ice Oxford University Press. 376 p. https://doi.org/10.1093/acprof:oso/9780198518945.001.0001
Pinzer B., Schneebeli M., 2009. Snow metamorphism under alternating temperature gradients: Morphology and recrystallization in surface snow. Geophys. Res. Lett. Vol.36. Pp. L23503. https://doi.org/10.1029/2009GL039618
Seo S., Richter A., Blechschmidt A-M., Bougoudis I., Burrows J. P., 2020. Spatial distribution of enhanced BrO and its relation to meteorological parameters in Arctic and Antarctic sea ice regions. Atm. Chem. Phys. Vol. 20(20). Pp. 1228512312. https://doi.org/10.5194/acp-20-12285-2020
Simpson W.R., Carlson D., Honninger G., Douglas T.A., Sturm M., Perovich D., Platt U., 2007. First-year sea-ice contact predicts bromine monoxide (BrO) levels at Barrow, Alaska better than potential frost flower contact. Atmos. Chem. Phys. Vol. 7. Pp. 621–627. http://dx.doi.org/10.5194/acp-7-621-2007
Simpson W.R., Brown S.S., Saiz-Lopez A, Thornton J A., Glasow R.A., 2015. Tropospheric Halogen Chemistry: Sources, Cycling, and Impacts. Сhem. Rev. Vol. 115, No. 10. Pp. 4035–4062. https://doi.org/10.1021/cr5006638
Simpson W.R., Frieß U., Thomas J.L., Lampel J., Platt U., 2018. Polar Nighttime Chemistry Produces Intense Reactive Bromine Events. Geophys. Res. Letters. Vol. 45 (18). Pp. 99879994. http://dx.doi.org/10.1029/2018GL079444
Suslick K. S., 1988. “Ultrasound: Its Chemical, Physical and Biological Effects,” VCH, New York,
Swanson W.F., Graham K.A., Halfacre J.W., Holmes C.D., Shepson P.B., Simpson W.R., 2020. Arctic Reactive Bromine Events Occur in Two Distinct Sets of Environmental Conditions: A Statistical Analysis of 6 Years of Observations. J. Geophys. Res. Atmosphere. Vol. 125 (10). Pp. e2019JD032139, https://doi.org/10.1029/2019JD032139.
Tkachenko E.Y., 2017. Possible role of electric forces in bromine activation during polar boundary layer ozone depletion and aerosol formation events, Atm. Res., Vol. 196. Pp. 17. http://dx.doi.org/10.1016/j.atmosres.2017.05.012
Tkachenko K.Y., Jacobi H.W., 2024. Electrical charging of snow and ice in polar regions and the potential impact on atmospheric chemistry, Env. Science: Atmosphere, Vol. 4. Pp. 144163. https://doi.org/10.1039/D3EA00084B
Yair Y., 2008. Charge Generation and Separation Processes,. Space Sci. Rev. Vol. 137. Pp. 119–131. https://doi.org/10.1007/s11214-008-9348-x
