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?賓大/北師大JACS：純計算！研究ClONO2與HOCl在氣-水界面反應中自然發生的分子動力學

ClONO₂是用于研究大氣臭氧消耗的重要物種，其接觸到極地平流層云粒子(PSCs)的表面時會很快分解。ClONO₂可以在云或氣溶膠的空氣-水界面參與各種反應，將不活躍的氯氣儲存轉化為活性氯化合物。根據前人報道，ClONO₂在冰上的多相反應中Cl₂O濃度增加，在大氣中，Cl₂O是一種光解壽命短的活性氣體，它會對臭氧層造成消耗和破壞。有學者提出Cl₂O可能是ClONO₂與HOCl反應生成的，而HOCl是ClONO₂水解生成，但對ClONO₂+HOCl反應沒有詳細的討論。因此，有必要深入了解空氣-水界面上ClONO₂和HOCl反應的機理。

近日，賓夕法尼亞大學Joseph S. Francisco和北京師范大學朱重欽等報道了在氣-水界面ClONO₂+HOCl反應中生成平流層氯源Cl₂O的反應路徑。結果表明，雖然氣態水團簇可以顯著降低ClONO₂+HOCl反應的能壘，但是該反應涉及的高能壘意味著它具有緩慢的大氣動力學。

重要的是，水滴中ClONO₂+HOCl反應的分子模擬揭示了鹵素鍵作為ClONO₂和HOCl之間主要相互作用的重要性。同時，研究人員還確定了兩種不同的反應途徑：1.生成Cl₂O，NO₃^–和H₃O⁺；2.生成2HOCl，NO₃^–和H₃O⁺。自由能曲線表明，Cl₂O生成途徑比自催化途徑更有利。特別地，在空氣-水界面上形成的Cl₂O幾乎無勢壘。

此外，ClONO₂在大氣氯化學中作為中心氯庫起著關鍵作用，它是由活性氯自由基ClO和NO₂復合產生，并在氣溶膠的空氣-水界面被分解。研究表明，溶解在空氣-水界面上的ClONO₂可以自發水解生成自由能壘僅為0.2 kcal mol^?1的HOCl，HOCl進一步與ClONO₂反應生成Cl₂O，在空氣-水界面處的ClONO₂也可以擴散到水體中。然而，該過程的自由能壘相對于界面反應要高得多，使得該過程相對非常緩慢。

此外，ClONO₂的水解反應比Cl₂O的生成反應快。而Cl₂O蒸發進入氣相，光解生成ClO和Cl，會對臭氧層造成消耗和破壞。綜上，該項工作強調了基本氯化學的重要性和氣溶膠空氣-水界面對大氣化學的廣泛影響。

Molecular Insights into the Spontaneous Generation of Cl₂O in the Reaction of ClONO₂ and HOCl at the Air–Water Interface. Journal of the American Chemical Society, 2023. DOI: 10.1021/jacs.3c06527

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