Formation and surface exchange of nitrous acid

Die salpetrige Säure (HONO) ist eine der reaktiven Stickstoffkomponenten der Atmosphäre und Pedosphäre. Die genauen Bildungswege von HONO, sowie der gegenseitige Austausch von HONO zwischen Atmosphäre und Pedosphäre sind noch nicht vollständig aufgedeckt. Bei der HONO-Photolyse entsteht das Hydroxylradikal (OH) und Stickstoffmonooxid (NO), was die Bedeutsamkeit von HONO für die atmosphärische Photochemie widerspiegelt.rnUm die genannte Bildung von HONO im Boden und dessen anschließenden Austausch mit der Atmosphäre zu untersuchen, wurden Messungen von Bodenproben mit dynamischen Kammern durchgeführt. Im Labor gemessene Emissionsflüsse von Wasser, NO und HONO zeigen, dass die Emission von HONO in vergleichbarem Umfang und im gleichen Bodenfeuchtebereich wie die für NO (von 6.5 bis 56.0 % WHC) stattfindet. Die Höhe der HONO-Emissionsflüsse bei neutralen bis basischen pH-Werten und die Aktivierungsenergie der HONO-Emissionsflüsse führen zu der Annahme, dass die mikrobielle Nitrifikation die Hauptquelle für die HONO-Emission darstellt. Inhibierungsexperimente mit einer Bodenprobe und die Messung einer Reinkultur von Nitrosomonas europaea bestärkten diese Theorie. Als Schlussfolgerung wurde das konzeptionelle Model der Bodenemission verschiedener Stickstoffkomponenten in Abhängigkeit von dem Wasserhaushalt des Bodens für HONO erweitert.rnIn einem weiteren Versuch wurde zum Spülen der dynamischen Kammer Luft mit erhöhtem Mischungsverhältnis von HONO verwendet. Die Messung einer hervorragend charakterisierten Bodenprobe zeigte bidirektionale Flüsse von HONO. Somit können Böden nicht nur als HONO-Quelle, sondern auch je nach Bedingungen als effektive Senke dienen. rnAußerdem konnte gezeigt werden, dass das Verhältnis von HONO- zu NO-Emissionen mit dem pH-Wert des Bodens korreliert. Grund könnte die erhöhte Reaktivität von HONO bei niedrigem pH-Wert und die längere Aufenthaltsdauer von HONO verursacht durch reduzierte Gasdiffusion im Bodenporenraum sein, da ein niedriger pH-Wert mit erhöhter Bodenfeuchte am Maximum der Emission einhergeht. Es konnte gezeigt werden, dass die effektive Diffusion von Gasen im Bodenporenraum und die effektive Diffusion von Ionen in der Bodenlösung die HONO-Produktion und den Austausch von HONO mit der Atmosphäre begrenzen. rnErgänzend zu den Messungen im Labor wurde HONO während der Messkampagne HUMPPA-COPEC 2010 im borealen Nadelwald simultan in der Höhe von 1 m über dem Boden und 2 bis 3 m über dem Blätterdach gemessen. Die Budgetberechnungen für HONO zeigen, dass für HONO sämtliche bekannte Quellen und Senken in Bezug auf die übermächtige HONO-Photolyserate tagsüber vernachlässigbar sind (< 20%). Weder Bodenemissionen von HONO, noch die Photolyse von an Oberflächen adsorbierter Salpetersäure können die fehlende Quelle erklären. Die lichtinduzierte Reduktion von Stickstoffdioxid (NO2) an Oberflächen konnte nicht ausgeschlossen werden. Es zeigte sich jedoch, dass die fehlende Quelle stärker mit der HONO-Photolyserate korreliert als mit der entsprechenden Photolysefrequenz, die proportional zur Photolysefrequenz von NO2 ist. Somit lässt sich schlussfolgern, dass entweder die Photolyserate von HONO überschätzt wird oder dass immer noch eine unbekannte, HONO-Quelle existiert, die mit der Photolyserate sehr stark korreliert. rn rn

Microbial formation of nitrous acid and its exchange processes between soils and atmosphere

Salpetrige Säure (HONO) ist eine wichtige Form von reaktivem Stickstoff, die aufgrund ihrer Photolyse zu Stickstoffmonoxid (NO) und dem Hydroxylradikal (OH), sehr kurzlebig ist. Ein genaues Verständnis der Quellen und Senken von HONO ist eine grundlegende Voraussetzung, um dessen Einfluss auf die Umwelt zu beurteilen. Allerdings wird immer noch nach einer starken HONO-Quelle am Tag gesucht und nächtliche HONO-Deposition auf den Boden wurde bisher stets nur postuliert. Diese Dissertation folgt der Zielsetzung die Prozesse der HONO-Aufnahme und Freisetzung von Böden aufzudecken und die zugrunde liegenden Mechanismen zu verstehen.rnUm die Rolle von HONO-Bodenemissionen zu quantifizieren, wurden 17 Böden in einem dynamischen Kammersystem untersucht. Es konnten HONO-Emissionen derselben Größenordnung wie die bereits gut untersuchten NO-Emissionen festgestellt werden. Unerwarteter Weise wurden die stärksten Emissionen bei Böden mit neutralem pH aus ariden und landwirt¬schaftlichen Gebieten beobachtet. Die Temperaturabhängigkeit der Bodenemissionen von HONO und NO führten zu der Annahme einer mikrobiellen Freisetzung von HONO, welche durch Reinkulturexperimente mit dem ammoniumoxidierenden Bakterium Nitrosomonas europaea bestätigt werden konnte. Ein konzeptionelles Model für die Freisetzung reaktiver Stickstoffverbindungen aus Böden in Abhängigkeit des Bodenwassergehaltes wurde um HONO-Emissionen erweitert.rnDurch Nachweise mittels Reinkultur- und Inhibitionsexperimenten konnten weitere Untersuchungen der bakteriellen Freisetzung von HONO aus Böden zeigen, dass innerhalb der bakteriellen Nitrifikation nur ammoniumoxidierende Bakterien zur Emission von HONO fähig sind. Durch kontrolliert initiierte Zelllyse konnte gezeigt werden, dass intrazellulär akkumuliertes Hydroxylamin (NH2OH) für die HONO-Freisetzung verantwortlich sind. Zum ersten Mal wurde NH2OH in der Gasphase nachgewiesen und dass dieses über den gesamten Bodenfeuchtebereich von ammoniumoxidierenden Bakterien freigesetzt wird. Es wurde gezeigt, dass die heterogene Reaktion von NH2OH mit Wasserdampf auf einer Glasperlenoberfläche HONO bildet. Diese Reaktion erklärt die beobachtete Freisetzung von HONO bei niedrigen Bodenfeuchten, da nur dann die Oberfläche zur Reaktion zur Verfügung steht und nicht von Wasser bedeckt ist.rnEine 15N Isotopenmarkierungsmethode wurde entwickelt um isotopenmarkiertes gasförmiges HONO zu messen, was die Untersuchung der Bildungsprozesse von HONO und dessen Rolle in biogeochemischen Zyklen ermöglicht. Die Anwendung dieser neuen Methode auf eine Bodenprobe die mit 15N Harnstoff angereichert und in einem dynamischen Kammersystem untersucht wurde, bestätigt die obigen Ergebnisse einer starken mikrobiellen Beteiligung von Bodenbakterien zur HONO Freisetzung.rnBidirektionale Flüsse von HONO wurden für sechs untersuchte Bodenproben gefunden. Die Richtung der Flüsse hängt dabei vom Umgebungsmischungsverhältnis von HONO und dem Bodenwassergehalt ab. Eine wichtige Größe, die die bidirektionalen Flüsse von HONO beschreibt, ist das „Ökosystem spezifische Kompensationsmischungsverhältnis von HONO“, χcomp. Dieser neue Begriff wurde definiert und eingeführt, da die verschiedenen in den Bodenaustausch von HONO involvierten Prozesse nicht mit dem klassischen Kompensationspunktkonzept kompatibel sind. Die Untersuchungen bestätigen neueste Feldbeobachtungen, dass HONO, welches bei hohen Umgebungsmischungsverhältnissen vom Boden adsorbiert wird, bei niedrigen Mischungsverhält-nissen wieder vom Boden desorbiert wird. Folglich wird nächtlich akkumuliertes HONO tagsüber in eine Quelle für HONO umgewandelt. Vier Prozesse - Verteilung von HONO zwischen Gas- und Flüssigphase nach Henrys Gesetz, bakterielle HONO Bildung aus NH2OH, Adsorption und Desorption von HONO - und deren Dominanz in speziellen Bodenfeuchtebereichen wurden identifiziert. Dadurch wurde ein konzeptionelles Model für die Prozesse, die in Aufnahme und Freisetzung von HONO aus Böden involviert sind, als Funktion der Bodenfeuchte entwickelt.rnZusammenfassend hat diese Dissertation die entscheidenden Prozesse im Austausch von HONO zwischen Boden und Atmosphäre aufgeklärt und den der bakteriellen HONO Bildung zugrunde liegenden Mechanismus aufgedeckt. Es konnte gezeigt werden, dass Böden sowohl eine wichtige Quelle als auch eine Senke für HONO sind und sollten folglich in zukünftigen Feldmessungen stärker berücksichtigt werden.rn

Coupling aerosol surface and bulk chemistry with a kinetic double layer model (K2-SUB): oxidation of oleic acid by ozone

We present a kinetic double layer model coupling aerosol surface and bulk chemistry (K2-SUB) based on the PRA framework of gas-particle interactions (Poschl-Rudich-Ammann, 2007). K2-SUB is applied to a popular model system of atmospheric heterogeneous chemistry: the interaction of ozone with oleic acid. We show that our modelling approach allows de-convoluting surface and bulk processes, which has been a controversial topic and remains an important challenge for the understanding and description of atmospheric aerosol transformation. In particular, we demonstrate how a detailed treatment of adsorption and reaction at the surface can be coupled to a description of bulk reaction and transport that is consistent with traditional resistor model formulations. From literature data we have derived a consistent set of kinetic parameters that characterise mass transport and chemical reaction of ozone at the surface and in the bulk of oleic acid droplets. Due to the wide range of rate coefficients reported from different experimental studies, the exact proportions between surface and bulk reaction rates remain uncertain. Nevertheless, the model results suggest an important role of chemical reaction in the bulk and an approximate upper limit of similar to 10(-11) cm(2) s(-1) for the surface reaction rate coefficient. Sensitivity studies show that the surface accommodation coefficient of the gas-phase reactant has a strong non-linear influence on both surface and bulk chemical reactions. We suggest that K2-SUB may be used to design, interpret and analyse future experiments for better discrimination between surface and bulk processes in the oleic acid-ozone system as well as in other heterogeneous reaction systems of atmospheric relevance.

Kinetic multi-layer model of aerosol surface and bulk chemistry (KM-SUB): the influence of interfacial transport and bulk diffusion on the oxidation of oleic acid by ozone

We present a novel kinetic multi-layer model that explicitly resolves mass transport and chemical reaction at the surface and in the bulk of aerosol particles (KM-SUB). The model is based on the PRA framework of gas-particle interactions (Poschl-Rudich-Ammann, 2007), and it includes reversible adsorption, surface reactions and surface-bulk exchange as well as bulk diffusion and reaction. Unlike earlier models, KM-SUB does not require simplifying assumptions about steady-state conditions and radial mixing. The temporal evolution and concentration profiles of volatile and non-volatile species at the gas-particle interface and in the particle bulk can be modeled along with surface concentrations and gas uptake coefficients. In this study we explore and exemplify the effects of bulk diffusion on the rate of reactive gas uptake for a simple reference system, the ozonolysis of oleic acid particles, in comparison to experimental data and earlier model studies. We demonstrate how KM-SUB can be used to interpret and analyze experimental data from laboratory studies, and how the results can be extrapolated to atmospheric conditions. In particular, we show how interfacial and bulk transport, i.e., surface accommodation, bulk accommodation and bulk diffusion, influence the kinetics of the chemical reaction. Sensitivity studies suggest that in fine air particulate matter oleic acid and compounds with similar reactivity against ozone (carbon-carbon double bonds) can reach chemical lifetimes of many hours only if they are embedded in a (semi-)solid matrix with very low diffusion coefficients (< 10(-10) cm(2) s(-1)). Depending on the complexity of the investigated system, unlimited numbers of volatile and non-volatile species and chemical reactions can be flexibly added and treated with KM-SUB. We propose and intend to pursue the application of KM-SUB as a basis for the development of a detailed master mechanism of aerosol chemistry as well as for the derivation of simplified but realistic parameterizations for large-scale atmospheric and climate models.

Kinetic multi-layer model of aerosol surface and bulk chemistry (KM-SUB): the influence of interfacial transport and bulk diffusion on the oxidation of oleic acid by ozone

We present a novel kinetic multi-layer model that explicitly resolves mass transport and chemical reaction at the surface and in the bulk of aerosol particles (KM-SUB). The model is based on the PRA framework of gas–particle interactions (P¨oschl et al., 5 2007), and it includes reversible adsorption, surface reactions and surface-bulk exchange as well as bulk diffusion and reaction. Unlike earlier models, KM-SUB does not require simplifying assumptions about steady-state conditions and radial mixing. The temporal evolution and concentration profiles of volatile and non-volatile species at the gas-particle interface and in the particle bulk can be modeled along with surface 10 concentrations and gas uptake coefficients. In this study we explore and exemplify the effects of bulk diffusion on the rate of reactive gas uptake for a simple reference system, the ozonolysis of oleic acid particles, in comparison to experimental data and earlier model studies. We demonstrate how KM-SUB can be used to interpret and analyze experimental data from laboratory stud15 ies, and how the results can be extrapolated to atmospheric conditions. In particular, we show how interfacial transport and bulk transport, i.e., surface accommodation, bulk accommodation and bulk diffusion, influence the kinetics of the chemical reaction. Sensitivity studies suggest that in fine air particulate matter oleic acid and compounds with similar reactivity against ozone (C=C double bonds) can reach chemical lifetimes of 20 multiple hours only if they are embedded in a (semi-)solid matrix with very low diffusion coefficients (10−10 cm2 s−1). Depending on the complexity of the investigated system, unlimited numbers of volatile and non-volatile species and chemical reactions can be flexibly added and treated with KM-SUB. We propose and intend to pursue the application of KM-SUB 25 as a basis for the development of a detailed master mechanism of aerosol chemistry as well as for the derivation of simplified but realistic parameterizations for large-scale atmospheric and climate models.

Soil chemistry and particle size distribution of mountainous tundra soils in the Rai-Iz Massif

Gravelly clay loamy and clayey soils developed from the derivatives of ultramafic rocks of the dunite-harzburgite complex of the Rai-Iz massif in the Polar Urals have been studied. They are represented by raw-humus pelozems (weakly developed clayey soils) under conditions of perfect drainage on steep slopes and by the gleyzems (Gleysols) with vivid gley color patterns in the eluvial positions on leveled elements of the relief. The magnesium released from the silicates with the high content of this element (mainly from olivine) specifies the neutral-alkaline reaction in these soils. Cryoturbation, the accumulation of raw humus, the impregnation of the soil mass with humic substances, gleyzation, and the ferrugination of the gleyed horizons are also clearly pronounced in the studied soils. Despite the high pH values, the destruction of supergene smectites in the upper horizons and ferrugination (the accumulation of iron hydroxides) in the microfissures dissecting the grains of olivine, pyroxene, and serpentine, and in decomposing plant tissues take place. The development of these processes may be related to the local acidification (neutralization) of the soil medium under the impact of biota and carbonic acids. The specificity of gleyzation in the soils developing from ultra-mafic rocks is shown in the absence of iron depletion from the fine earth material against the background of the greenish blue gley color pattern.

Acid-Base. Surface Electron Donatin6 &.Catai.Ytlc Properties Of Some Binary Mixed Oxides Containing Rare Earth Elements

Catalysis research underpins the science of modern chemical processing and fuel technologies. Catalysis is commercially one of the most important technologies in national economies. Solid state heterogeneous catalyst materials such as metal oxides and metal particles on ceramic oxide substrates are most common. They are typically used with commodity gases and liquid reactants. Selective oxidation catalysts of hydrocarbon feedstocks is the dominant process of converting them to key industrial chemicals, polymers and energy sources.[1] In the absence of a unique successfiil theory of heterogeneous catalysis, attempts are being made to correlate catalytic activity with some specific properties of the solid surface. Such correlations help to narrow down the search for a good catalyst for a given reaction. The heterogeneous catalytic performance of material depends on many factors such as [2] Crystal and surface structure of the catalyst. Thermodynamic stability of the catalyst and the reactant. Acid- base properties of the solid surface. Surface defect properties of the catalyst.Electronic and semiconducting properties and the band structure. Co-existence of dilferent types of ions or structures. Adsorption sites and adsorbed species such as oxygen.Preparation method of catalyst , surface area and nature of heat treatment. Molecular structure of the reactants. Many systematic investigations have been performed to correlate catalytic performances with the above mentioned properties. Many of these investigations remain isolated and further research is needed to bridge the gap in the present knowledge of the field.

Vibrationally mediated photodissociation of nitrous acid

Hitherto unobserved overtone and combination bands of nitrous acid have been investigated by Fourier-transform infrared absorption spectroscopy and through the resonance enhancements they provide in the two-photon excition spectrum for forming OH(X) photofragments. Analysis of the band profiles associated with the second and third O—H stretching overtones of trans-HONO, and of the energy disposal into the OH(X) fragments resulting from two-photon dissociation mediated by these overtone levels, provide some clues as to the mechanism for intramolecular vibrational energy redistribution (IVR) within these vibrationally excited molecules. The work serves to highlight further the extreme sensitivity of vibrationally mediated photodissociation (VMP) as a means of revealing weak O—H stretching overtones, even in situations (as here) where the species of interest is but a minor constituent of an equilibrium mixture.

Vibration-rotation spectra of nitrous acid, HONO

High-resolution Fourier-transform infrared spectra have been recorded and analyzed for the nu4, nu5, and nu6 fundamental bands of trans-HONO, and for the nu4 fundamental of cis-HONO. The spectral resolution was better than 0.01/cm, and the rotational structure has been analyzed to give improved ground-state and excited-state rotational constants, with a standard deviation of the fit to the observed line positions of around 0.0006/cm. Two Coriolis interactions have been analyzed between the nu5 and nu6 bands of trans-HONO.

The reaction of flavanols with nitrous acid protects against N-nitrosamine formation and leads to the formation of nitroso derivatives which inhibit cancer cell growth

Studies have suggested that diets rich in polyphenols Such as flavonoids may lead to a reduced risk of gastrointestinal cancers. We demonstrate the ability of monomeric and dimeric flavanols to scavenge reactive nitrogen species derived from nitrous acid. Both epicatechin and dimer B2 (epicatechin dimer) inhibited nitrous acid-induced formation of 3-nitrotyrosine and the formation of the carcinogenic N-nitrosamine, N-nitrosodimethylamine. The reaction of monomeric and dimeric epicatechin with nitrous acid led to the formation of mono- and di-nitroso flavanols, whereas the reaction with hesperetin resulted primarily in the formation of nitrated products. Although, epicatechin was transferred across the jejunum of the small intestine yielding metabolites, its nitroso form was not absorbed. Dimer B2 but not epicatechin monomer inhibited the proliferation of, and triggered apoptosis in, Caco-2 cells. The latter was accompanied by caspase-3 activation and reductions in Akt phosphorylation, suggesting activation of apoptosis via inhibition of prosurvival signaling. Furthermore, the dinitroso derivative of dimer B2, and to a lesser extent the dinitroso-epicatechin, also induced significant toxic effects in Caco-2 cells. The inhibitory effects on cellular proliferation were paralleled by early inhibition of ERK 1/2 phosphorylation and later reductions in cyclin D I levels, indicating modulation of cell cycle regulation in Caco-2 cells. These effects highlight multiple routes in which dietary derived flavanols may exert beneficial effects in the gastrointestinal tract. (c) 2005 Elsevier Inc. All rights reserved.

Temperature (over) compensation in an oscillatory surface reaction

Biological rhythms are regulated by homeostatic mechanisms that assure that physiological clocks function reliably independent of temperature changes in the environment. Temperature compensation, the independence of the oscillatory period on temperature, is known to play a central role in many biological rhythms, but it is rather rare in chemical oscillators. We study the influence of temperature on the oscillatory dynamics during the catalytic oxidation of formic acid on a polycrystalline platinum electrode. The experiments are performed at five temperatures from 5 to 25 degrees C, and the oscillations are studied under galvanostatic control. Under oscillatory conditions, only non-Arrhenius behavior is observed. Overcompensation with temperature coefficient (q(10), defined as the ratio between the rate constants at temperature T + 10 degrees C and at T) < I is found in most cases, except that temperature compensation with q(10) approximate to I predominates at high applied currents. The behavior of the period and the amplitude result from a complex interplay between temperature and applied current or, equivalently, the distance from thermodynamic equilibrium. High, positive apparent activation energies were obtained under voltammetric, nonoscillatory conditions, which implies that the non-Arrhenius behavior observed under oscillatory conditions results from the interplay among reaction steps rather than, from a weak temperature dependence of the individual steps.

Handbook of methods for acid deposition studies : laboratory analyses for soil chemistry /

Mode of access: Internet.

Acid-Base, Surface electron donating and catalytic properties of binary oxides of Zr with rare earth elements

Department of Applied Chemistry, Cochin University of Science and Technology

The infrared vibration-rotation spectrum of trans and cis nitrous acid

Infrared spectra of the trans and the cis isomers of nitrous acid, both HONO and DONO, have been observed in the gas phase using a Fourier transform interferometer with a resolution of about 0.05 cm−1 from 4000 to 500 cm−1. Rotational analyses are reported on eleven of the fundamentals and some overtones.