Los procesos de oxidación en los motores de combustión y en la atmósfera siguen los mismos caminos
Los alcanos, un componente importante de los combustibles para motores de combustión y una clase importante de gases traza urbanos, reaccionan a través de otras vías de reacción de las que se pensaba. Estos hidrocarburos, antes llamados parafinas, producen así grandes cantidades de compuestos altamente oxigenados que pueden contribuir al aerosol orgánico y, por tanto, a la contaminación del aire en las ciudades. Un equipo internacional de investigación ha podido demostrarlo ahora mediante experimentos de laboratorio con la tecnología de medición más avanzada en la Universidad de Helsinki y el Instituto Leibniz de Investigación Troposférica (TROPOS) de Leipzig.
El equipo consiguió probar este proceso en experimentos de laboratorio utilizando un aparato de flujo especial en el TROPOS de Leipzig, que permite investigar sin interferencias las reacciones en fase gaseosa a presión atmosférica.
Tilo Arnhold, TROPOS
Los resultados de este trabajo interdisciplinar proporcionan información crucial sobre los procesos de oxidación tanto en los motores de combustión como en la atmósfera, con implicaciones directas para la eficiencia de los motores y la formación de aerosoles, especialmente en las ciudades, escribe el equipo de investigación en la revista Communications Chemistry, una revista de acceso abierto publicada por el grupo editorial Springer-Nature.
Los procesos de oxidación desempeñan un papel importante tanto en la atmósfera como en la combustión. Una reacción en cadena llamada autoxidación es posible gracias a las altas temperaturas de los motores. Pero también actúa como una importante fuente de compuestos altamente oxigenados en la atmósfera que forman aerosoles orgánicos, como demostraron investigadores de Finlandia, Alemania y Estados Unidos en 2014. La autoxidación es uno de los motivos de los procesos de envejecimiento de los compuestos orgánicos por el oxígeno del aire. Contribuye al deterioro de los alimentos y el vino.
Esta reacción en cadena se inicia con la formación de radicales peroxia (RO2). La propensión de los compuestos orgánicos a sufrir esa autoxidación de varios pasos determina el momento de encendido de los combustibles en los motores y, por otra parte, el potencial de formación de vapores condensables de baja volatilidad y, por consiguiente, de aerosoles orgánicos en la atmósfera. El grado de autoxidación en varios pasos depende de la estructura molecular de los compuestos orgánicos y de las condiciones de reacción. La determinación de las diferentes vías de reacción de los radicales peroxis, que son importantes intermediarios en todas las reacciones de oxidación, es crucial para la formación de los diferentes productos de reacción y sus propiedades clave, que en última instancia pueden afectar tanto a la salud humana como al clima.
Dado que los radicales peroxis son muy reactivos, sus reacciones químicas se producen muy rápidamente, por lo que durante mucho tiempo se pasaron por alto los pasos individuales de la reacción. El descubrimiento de las moléculas orgánicas altamente oxigenadas (HOM) hace siete años sólo fue posible gracias a los avances en las técnicas de medición. Para medir los radicales y los productos de oxidación de los alcanos se utilizó ahora un espectrómetro de masas especial (Ionización Química - Interfaz de Presión Atmosférica - Tiempo de Vuelo (CI-APi-TOF)), que puede monitorizar los compuestos de vida muy corta. "Hasta ahora no se había estudiado la formación de HOM a partir de alcanos porque se suponía que su estructura era desfavorable para la autoxidación", informa el Dr. Torsten Berndt, de TROPOS. El metano, un importante gas de efecto invernadero, pertenece al grupo de los alcanos. Pero los combustibles fósiles más importantes de la economía mundial, procedentes del petróleo crudo y del gas natural, también están formados por alcanos: entre ellos están el propano, el butano, el pentano, el hexano, el heptano y el octano. Por ello, los nuevos descubrimientos sobre el comportamiento de la oxidación de este grupo de sustancias tienen gran relevancia en muchos ámbitos.
Para profundizar en la autoxidación de los alcanos, se han llevado a cabo experimentos en el reactor de flujo libre de TROPOS en Leipzig, además de los realizados en Helsinki. El montaje experimental está optimizado para que los gases no entren en contacto con las paredes durante la reacción, con el fin de excluir las interferencias de los resultados por los procesos de las paredes. Durante los experimentos, casi todos los productos intermedios reactivos, los radicales RO2 y sus productos de reacción pudieron ser monitorizados directamente. La cooperación interdisciplinaria de los investigadores de la química de la combustión y de la química atmosférica resultó ser muy útil, ya que en los procesos de combustión tienen lugar procesos análogos a los de la atmósfera, sólo que a una temperatura más elevada. "Como resultado, se hizo visible que no sólo las reacciones de isomerización de los radicales RO2, sino también de los radicales RO son responsables de la acumulación de productos oxidados superiores. El estudio permitió identificar con los alcanos el último y quizás más sorprendente grupo de compuestos orgánicos para los que la autoxidación es importante", concluye Torsten Berndt.
Incluso a altas concentraciones de óxidos de nitrógeno, que por lo demás ponen fin rápidamente a las reacciones de autoxidación, los alcanos parecen producir cantidades considerables de compuestos altamente oxidados en el aire. Los nuevos descubrimientos permiten una comprensión más profunda de los procesos de autoxidación y dan pie a nuevas investigaciones sobre las reacciones de isomerización de los radicales RO.
Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.
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