Новости химической науки > Радикальная реакция оценивает количество межзвездного азота

Хотя при низких температурах достаточно сложно получать кинетические параметры протекания свободнорадикальных реакций, международная группа исследователей смогла получить количественную характеристику реакции между атомами азота и гидроксильными радикалами при 56K.

Полученные результаты корректируют модель образования молекулярного азота в космическом пространстве, более того – исследователи заявляют, что использованная ими методология может быть использована и для изучения других радикальных частиц, что открывает широкие возможности для изучения реакций, протекающих при низкой температуре и переосмысления ряда концепций космохимии.

Получение значительных количеств нестабильных атомов и молекул с последующим измерением изменения их концентрации представляет собой задачу двойной сложности – именно поэтому так сложно изучать кинетические закономерности взаимодействия радикальных частиц. Исследователи из группы Кевина Хиксона (Kevin Hickson), работающие в Университете Бордо смогли решить эту проблему, значительно уменьшив размеры системы охлаждения и определив константу скорости интересующей их реакции, использовав информацию о кинетических параметрах уже изученной реакции сравнения.

В экспериментах для количественного определения атомов азота в основном и возбужденном состоянии в реакционной смеси применялась атомно-резонансная лампа. (Рисунок из Science, 2011, 334, 1538)

Исследователи охладили атомарный азот, перекись водорода и инертный газ, пропуская эту смесь через сопла Лаваля небольшого размера (подобного рода сопла используются в ракетных ускорителях космических челноков НАСА). Сопла преобразовывают тепловую энергию газа в кинетическую, эффективно охлаждая его при этом. Достаточное для экспериментов количество атомарного азота было получено с помощью микроволнового нагревания молекулярного азота. Непосредственно в реакционной камере с помощью ультрафиолетового лазера перекись водорода расщепляли до гидроксильных радикалов, а ОН-радикал реагировал с азотом, образуя NO и H. Затем протекает реакция NO с очередным атомарным азотом, в результате чего образуется молекула N₂ и атом кислорода. Именно эта пара реакций отвечает за образование молекул азота в темных и плотных межзвездных облаках.

Два других лазера вызывали флуоресценцию частиц OH и NO, отслеживая их концентрацию. Расход гидроксильных радикалов можно было грубо оценить как реакцию первого порядка, поскольку исследователям уже были известны кинетические параметры процесса NO + N → N₂ +O, слежение за концентрацией NO позволило определить константу скорости реакции атомарного азота с гидроксил-радикалом. Оказалось, что константа скорости этой реакции значительно меньше, чем предполагалось и грубо оценивалось ранее.

Ян Смит (Ian Smith) из Кембриджа высоко оценивает результаты работы коллег, заявляя, что ими разработан практически универсальный подход. Тем не менее, он добавляет, что для абсолютно аутентичного моделирования условий в межзвездных газопылевых облаках реакцию стоило бы провести и при температуре 10K.

Наблюдавшаяся в ходе эксперимента низкая константа скорости атомарного азота с гидроксил-радикалами позволяет предположить, что молекулярный азот распространен в межзвездных облаках в меньшей степени, чем предполагалось ранее. Дополнительно к эксперименту исследователи провели квантово-химические расчеты, дополнительно подтвердив то, что разработанная ими методика может использоваться для наблюдения за ходом протекания низкотемпературных радикальных процессов. В будущем исследователи планируют провести аналогичные эксперименты для моделирования важных процессов, протекающих в межзвездной среде, атмосферах планет, в том числе – и атмосфере Земли.

Источник: Science, 2011, 334, 1538 (DOI: 10.1126/science.1213789)

метки статьи: #кинетика и катализ, #космохимия, #реакционноспособные частицы