Molecular Insights into the Spontaneous Generation of Cl2O in the Reaction of ClONO2 and HOCl at the Air–Water Interface

化学 分子 接口(物质) 无机化学 化学工程 有机化学 吉布斯等温线 工程类
作者
Zhengyi Wan,Chongqin Zhu,Joseph S. Francisco
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:145 (31): 17478-17484 被引量:16
标识
DOI:10.1021/jacs.3c06527
摘要

Chemical processes involving chlorine nitrate (ClONO2) at the surface of stratospheric aerosols are crucial to ozone depletion. Herein, we show a reaction route for the formation of Cl2O, which is a source of stratospheric chlorine, in the ClONO2 + HOCl reaction at the air-water interface. Our ab initio molecular dynamics (AIMD) simulations show that the (ClONO2)Cl···O(HOCl) halogen bond plays a key role in the reaction and is the main interaction between ClONO2 and HOCl both at the air-water interface and in the bulk liquid water. Furthermore, metadynamics-based AIMD simulations reveal two pathways: (i) The OCl fragment of HOCl binds to the Cl atom in ClONO2, resulting in the formation of Cl2O and NO3-. Simultaneously, the remaining hydrogen atom is transferred to a water molecule to form H3O+. (ii) HOCl acts as a bridge for Cl atom transfer from ClONO2 to the O atom of a water molecule, and this water molecule transfers one of its H atoms to another water molecule, forming two HOCl molecules, NO3-, and H3O+. Free-energy calculations show that the former is the energetically more favorable process. More importantly, the free-energy barrier for Cl2O formation at the air-water interface is only ∼0.8 kcal/mol, and the reaction is exothermic. These findings provide insights into the importance of fundamental chlorine chemistry and the broader implications of the aerosol air-water interface for atmospheric chemistry.
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