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JACS：純計(jì)算！研究ClONO2與HOCl在氣-水界面反應(yīng)中自然發(fā)生的分子動(dòng)力學(xué)

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(shí)會(huì)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(yīng)，將不活躍的氯氣儲(chǔ)存轉(zhuǎn)化為活性氯化合物。根據(jù)前人報(bào)道，ClONO₂在冰上的多相反應(yīng)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(huì)對臭氧層造成消耗和破壞。有學(xué)者提出Cl₂O可能是ClONO₂與HOCl反應(yīng)生成的，而HOCl是ClONO₂水解生成，但對ClONO₂+HOCl反應(yīng)沒有詳細(xì)的討論。因此，有必要深入了解空氣-水界面上ClONO₂和HOCl反應(yīng)的機(jī)理。

近日，賓夕法尼亞大學(xué)Joseph S. Francisco和北京師范大學(xué)朱重欽等報(bào)道了在氣-水界面ClONO₂+HOCl反應(yīng)中生成平流層氯源Cl₂O的反應(yīng)路徑。結(jié)果表明，雖然氣態(tài)水團(tuán)簇可以顯著降低ClONO₂+HOCl反應(yīng)的能壘，但是該反應(yīng)涉及的高能壘意味著它具有緩慢的大氣動(dòng)力學(xué)。

重要的是，水滴中ClONO₂+HOCl反應(yīng)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(shí)，研究人員還確定了兩種不同的反應(yīng)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(xué)中作為中心氯庫起著關(guān)鍵作用，它是由活性氯自由基ClO和NO₂復(fù)合產(chǎn)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(fā)水解生成自由能壘僅為0.2 kcal mol^?1的HOCl，HOCl進(jìn)一步與ClONO₂反應(yīng)生成Cl₂O，在空氣-水界面處的ClONO₂也可以擴(kuò)散到水體中。然而，該過程的自由能壘相對于界面反應(yīng)要高得多，使得該過程相對非常緩慢。

此外，ClONO₂的水解反應(yīng)比Cl₂O的生成反應(yīng)快。而Cl₂O蒸發(fā)進(jìn)入氣相，光解生成ClO和Cl，會(huì)對臭氧層造成消耗和破壞。綜上，該項(xiàng)工作強(qiáng)調(diào)了基本氯化學(xué)的重要性和氣溶膠空氣-水界面對大氣化學(xué)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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