Aarhus University Seal / Aarhus Universitets segl

Hvilken betydning har vand for kemiske reaktioner med ioner i atmosfæren ?

En ny artikel fra et interdisciplinært samarbejde mellem fysik og kemi af bl.a. Henrik B. Pedersen, Ricky Teiwes, Jonas Elm og Merete Bilde er udvalgt som 2020 HOT article i Physical Chemistry Chemical Physics (PCCP).

29.09.2020 | Ole J. Knudsen

Hvordan vekselvirker ioner i atmosfæren med for eksempel vand i arktiske egne? Illustration: HBP/IFA

Hvordan vekselvirker ioner i atmosfæren med for eksempel vand i arktiske egne? Illustration: HBP/IFA

Ioner af forskellig slags findes overalt i atmosfæren og reaktioner mellem ioner og atmosfæriske gasser har f.eks. stor betydning ved atmosfærens kontaktflader med vand, is og sne i jordens polare egne. Ioner er meget reaktive og indgår i yderst komplekse netværk af reaktioner i atmosfæren. Mange af disse reaktioner er faktisk ikke velbeskrevne og det giver naturligt en usikkerhed i forhold til at modellere atmosfæren.

I et interdisciplinært samarbejde, har gruppen i en række studier stillet skrapt på reaktionen mellem negative ioner af iod  (kaldet iodid eller kort skrevet I-) og ozon (O3). Denne reaktion, altså I- + O3, er den allerførste i en række reaktioner, som man mener bringer iod fra vand, is eller sne op i atmosfæren, hvorefter iodforbindelser  blandt andet indgår i dannelse af små luftbårne partikler (aerosoler): I visse egne kan luftens partikler faktisk primært bestå af iodoxider.      

Gruppen har studeret iodid-ozon reaktionen med en metode, hvor denne ene reaktion fra atmosfæren er blevet isoleret i laboratoriet og undersøgt uden påvirkning fra det komplekse net af yderligere reaktioner, der findes i det faktiske atmosfæriske system. Konkret er iod-ioner blevet fanget under lavt tryk og i bragt i kontakt med ozon gas under kontrollerede forhold, hvorefter dannelsen af reaktionsprodukter er blevet fulgt som funktion af tid. 

Specielt har gruppen været interesseret i at undersøge, hvilken betydning det har om iodid er alene, når det møder ozon, eller om det befinder sig i et miljø, der indeholder vand. Det kan man undersøge ved at erstatte I- i forsøget med I(H2O)-, dvs. en iod-ion, hvortil der løst er bundet et vand-molekyle. I naturlige omgivelser er I- faktisk omgiver at flere vandmolekyler: Hvor mange afhænger af luftfugtigheden.

Resultaterne viste (måske ikke alt for overraskende), at tilstedeværelsen af vand fuldstændig ændrer egenskaberne for reaktionen mellem iod og ozon, hvilket på den anden side kan have stor konsekvenser for, hvordan sådanne reaktioner skal beskrives i fremtidige atmosfære modeller.

Spørgsmålet i den nye artikel var, om vand-molekylet spiller en mere aktiv rolle for I(H2O)- + O3 reaktionen eller om det nærmere spiller en rolle som medhjælper, altså som et element, der kan stabilisere reaktionen ved f.eks. at overtage overskydende energi. Det kan man undersøge ved at lade vandmolekylet indeholde den tungere form at ilt 18O (masse 18) i stedet for den naturligt forekomne form 16O.  Med dette trick kan man se forskel på det ilt-atom, der stammer fra vandmolekylet og dem, der stammer fra ozon. Resultatet var overraskende: I ca. 1% af reaktionsprodukterne var 18O var tilstede, dvs. vandmolekylet indgår (i hvert fald for en del reaktioners vedkommende) som en vigtig del af reaktionen og kan ikke betegnes som medhjælper. Det er endnu uklart, hvordan denne betydning af vandmolekylet skal fortolkes i form af en egentlig reaktionsmekanisme.  

Samlet set sætter de eksperimentelle resultater fokus på betydningen af vand  for naturligt forekomne reaktioner og specielt på  hvordan reaktioner med ioner fremtidigt skal indgå i modeller for atmosfærens kemi.

I fremtiden håber gruppen også at kunne undersøge reaktioner med ioner af Brom samt at undersøge reaktioner med flere af atmosfærens reaktive gasser.

Arbejdet er støttet af Aarhus Universitet Forskningsfond (AUFF) og Det frie forskningsråd for Natur og Univers (FNU).

Artiklen, med titlen "The reaction of isotope-substituted hydrated iodide I(H18 2 O) with ozone: the reactive influence of the solvent water molecule" er tilgængelig via dette link.

Institut for Fysik og Astronomi, Medarbejdere, Offentligheden / Pressen, Studerende