克里奇中间体(CH2OO,syn-CH3CHOO)与大气痕量气体反应的动力学研究

来源 :大连理工大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:shashh
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羰基氧化物(R1R2COO),又称“克里奇中间体”,是不饱和烯烃经臭氧化生成的一种高反应活性的中间体产物。初始生成的克里奇中间体处于内部振动激发的状态,会发生快速的单分子解离或与大气分子碰撞达到相对稳定的状态。大气中稳定的克里奇中间体有较长的寿命,会经历缓慢的单分子热解离过程生成OH、HO2等自由基,或与大气中的痕量气体发生双分子反应。克里奇中间体的单分子解离过程是大气中OH自由基的重要来源,并且其与大气中的一些痕量气体的双分子反应会生成低挥发性的聚合物,对大气中二次有机气溶胶的形成以及大气环境有重要影响。当前,针对克里奇中间体的动力学实验研究大多采用光电离质谱和紫外吸收光谱探测方法。前者使用的电离源为高重频极紫外光源,实验条件较难达到。后者的探测过程容易受到反应体系中其他分子带来的干扰。为解决上述实验探测的限制,利用激光诱导荧光方法的探测灵敏度高、时间响应快、对被测区无干扰等特点,设计和搭建了一套紫外光解离产生自由基、激光诱导荧光(LIF)探测自由基的气相实验装置。配合温度控制以及压力控制装置,可以在宽温度(278 K~320 K)和宽压力(1~760 Torr)范围内以微秒分辨开展自由基和分子反应的动力学研究。首先,基于上述装置,应用OH激光诱导荧光方法研究了环加成反应CH2OO+SO2、CH2OO+CH3CH2CHO的动力学过程。实验测量得到CH2OO+SO2反应在300 K、10 Torr条件下的速率常数为(3.88±0.13)× 10-11 cm3 s-1,与其他实验方法的结果完全一致,证明了 OH激光诱导荧光方法在克里奇中间体反应动力学研究中的可靠性。OH激光诱导荧光方法测量得到的CH2OO+CH3CH2CHO反应速率常数随温度的依赖关系为k(T)=(1.04±0.57)× 10-13 cm3 s-1 exp[(1.99±0.23)kcal mol-1/RT]。压力相关性的研究表明该反应在压力高于50 Torr时达到高压极限,在298 K的高压极限速率常数为(3.23±0.49)×10-12 cm3 s-1,与之前理论预测的2.44 × 10-12 cm3s-1极为接近。然后,应用OH激光诱导荧光方法研究了插入型反应CH2OO+NH3、CH2OO+(H2O)2的动力学过程。在283~318 K、50 Torr条件下观测到了 CH2OO+NH3的反应速率常数对温度的负依赖关系为k(T)=(2.76±0.87)× 10-14 cm3s-1 exp[(0.48±0.12)kcal mol-1/RT]。其在 298 K、50 Torr 时的反应速率常数为(5.64±0.56)× 10-14 cm3 s-1,证实了Misiewicz微扰修正理论计算结果5.36 × 10-14 cm3s-1的正确,解决了早期使用微扰修正理论和密度泛函理论计算结果在该反应上的分歧。由于OH+NH3和CH2OO+NH3反应速率常数随温度依赖性的不同,对于高海拔地区、夜间和寒冷的冬季,克里奇中间体可能在消耗NH3的反应过程中发挥着更重要的作用。OH激光诱导荧光方法得到的CH2OO+(H2O)2 在 300 K、60 Torr 的速率常数结果为(7.53±0.38)× 10-12 cm3 s-1,与 Smith、Chao、Sheps等人使用紫外吸收光谱方法得到的结果完全一致。应用该反应速率常数结果,可计算得到(H2O)2对大气中CH2OO的反应消耗速率约介于400~10500 s-1范围内,该反应作用占据了 CH2OO消耗的主导地位。最后,由于syn-CH3CHOO的单分子解离过程可生成OH自由基,而anti-CH3CHOO单分子解离没有OH自由基生成,使用OH激光诱导荧光实验方法可以单独探测syn-CH3CHOO的动力学过程,排除anti-CH3CHOO对syn-CH3CHOO探测过程的干扰。应用此方法测量得到syn-CH3CHOO+H2O反应在298 K、50 Torr条件下的速率常数为(3.47±0.94)× 10-16 cm3s-1,该结果比已有的理论计算结果大了 3~5个量级,表明该反应对大气中syn-CH3CHOO的消耗可能有十分重要的影响。在考虑了(H2O)2对syn-CH3CHOO+H2O反应体系的影响后,得到syn-CH3CHOO+(H2O)2在298 K时的反应速率常数上限为1 × 10-12 cm3s-1。OH激光诱导荧光实验测量得到syn-CH3CHOO+HCl在 298 K、10 Torr 的速率常数为(4.77±0.72)× 10-11 cm3s-1,与 Kaito 在 298 K 的理论计算结果3.5 × 10-11 cm3s-1基本一致。此外实验还得到了syn-CH3CHOO+HCl反应速率常数随温度的变化关系为k(T)=(3.19±0.7)× 10-13 cm3 s-1 exp[(2.98±0.12)kcal mol-1/RT]。通过对克里奇中间体(CH2OO,syn-CH3CHOO)与上述几种代表性的大气痕量气体反应动力学的研究发现,克里奇中间体氧化消耗大气痕量气体的作用略弱于OH自由基,大气中极高浓度的水对克里奇中间体的反应消耗占据绝对的主导地位。
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