Gốc hydroxyl (OH) là một phân tử gồm một nguyên tử oxy và một nguyên tử hydro, mang một electron "lẻ" nên cực kỳ hoạt động. Nó tồn tại chưa tới một giây và có nồng độ vô cùng nhỏ, nhưng lại phá huỷ phần lớn mê-tan, carbon monoxide và rất nhiều chất ô nhiễm khác trong khí quyển. Vì vai trò làm sạch đó, giới khoa học gọi OH là "chất tẩy rửa" của bầu khí quyển.
Gốc tự do là gì
Đa số phân tử bền có các electron đi thành cặp. Gốc tự do là phân tử có một electron không có cặp, luôn "muốn" giật một electron hoặc một nguyên tử từ phân tử khác để ổn định. Gốc hydroxyl (viết là OH hoặc ·OH) khác với ion hydroxide OH⁻ trong dung dịch kiềm: ion hydroxide mang điện tích âm và khá ổn định, còn gốc hydroxyl trung hoà điện nhưng thiếu một electron ghép cặp, nên hung hăng hơn nhiều.
Khi OH gặp một phân tử như mê-tan (CH₄), nó giật một nguyên tử hydro, tạo ra nước và một gốc mới (CH₃). Gốc mới này tiếp tục phản ứng với oxy, qua nhiều bước, cuối cùng thành CO₂ và nước. OH khởi động một chuỗi phản ứng oxy hoá biến các chất bay hơi khó tan thành những chất dễ tan, có thể bị mưa rửa trôi hoặc lắng xuống.
Ít đến khó tin
Nồng độ OH trung bình toàn cầu ban ngày vào khoảng một triệu phân tử trong mỗi centimet khối không khí. Nghe có vẻ nhiều, nhưng mỗi centimet khối không khí ở mặt đất chứa khoảng 25 tỷ tỷ (2,5 × 10¹⁹) phân tử. Như vậy, cứ khoảng hai mươi lăm nghìn tỷ phân tử không khí mới có một phân tử OH, tức cỡ phần trăm nghìn tỷ (0,04 phần nghìn tỷ).
Mỗi phân tử OH tồn tại chưa tới một giây trước khi phản ứng với thứ gì đó. Lượng OH trong không khí lúc nào cũng là kết quả của việc sinh ra và mất đi liên tục, giống ngọn lửa nến: luôn ở đó nhưng không phần nào của nó tồn tại lâu.
OH sinh ra thế nào
Nguồn chính của OH trong tầng đối lưu là một chuỗi bắt đầu từ ozone và ánh nắng:
- Tia cực tím (bước sóng ngắn hơn khoảng 320 nm, phần UV-B lọt qua tầng ozone) bẻ gãy một phân tử ozone (O₃), tạo ra O₂ và một nguyên tử oxy ở trạng thái kích thích, giàu năng lượng.
- Phần lớn nguyên tử oxy kích thích này va chạm với nitơ, oxy và mất năng lượng. Nhưng một phần nhỏ gặp phân tử hơi nước (H₂O).
- Nguyên tử oxy kích thích phản ứng với nước, tạo ra hai gốc OH.
Ba thứ cần có: ozone, tia cực tím và hơi nước. Vì vậy OH dồi dào nhất ở vùng nhiệt đới, nơi nắng gắt và không khí ẩm, và chủ yếu sinh ra ban ngày. Ban đêm, nồng độ OH tụt mạnh; vai trò làm sạch ban đêm phần lớn chuyển sang gốc nitrat (NO₃), một chất oxy hoá khác chỉ tồn tại được trong bóng tối vì bị ánh sáng phá rất nhanh.
Đây là một điểm thú vị: ozone ở mặt đất là chất ô nhiễm, nhưng một lượng nhỏ ozone lại cần thiết để sinh ra OH, chất giúp làm sạch nhiều chất ô nhiễm khác. Hoá học khí quyển hiếm khi có "tốt" và "xấu" tuyệt đối.
OH dọn dẹp những gì
| Chất | Vai trò của OH | Ý nghĩa |
|---|---|---|
| Mê-tan (CH₄) | Khoảng 90% mê-tan bị phá bởi phản ứng với OH | Quyết định thời gian tồn tại khoảng 12 năm của mê-tan |
| Carbon monoxide (CO) | Phản ứng chính loại bỏ CO, biến thành CO₂ | CO tồn tại khoảng vài tuần đến vài tháng |
| Hợp chất hữu cơ bay hơi (VOC) | Oxy hoá isoprene từ cây, benzen, toluen từ xăng dầu | Một phần sản phẩm thành bụi mịn thứ cấp và ozone mặt đất |
| Lưu huỳnh đioxit (SO₂), NO₂ | Biến thành axit sulfuric, axit nitric | Dễ tan, rơi theo mưa; là nguồn gốc mưa axit |
| HCFC, HFC | Phá phần lớn trong tầng đối lưu | Lý do HCFC ít phá ozone hơn CFC rất nhiều |
Hàng cuối giải thích vì sao HCFC được chọn làm chất thay thế tạm thời cho CFC. CFC không có nguyên tử hydro để OH giật, nên gần như "miễn nhiễm" với OH và trôi lên tới tầng bình lưu. HCFC có liên kết carbon – hydro, nên phần lớn bị OH phá trước khi lên cao.
Đo một thứ chỉ sống chưa tới một giây
Đo trực tiếp OH rất khó vì nó ít và chóng mất. Các thiết bị chuyên dụng như huỳnh quang cảm ứng laser có thể đo OH tại chỗ trong các chiến dịch thực địa, nhưng chỉ cho biết giá trị ở một điểm, một thời điểm.
Để ước tính lượng OH trung bình cả hành tinh, các nhà khoa học dùng một mẹo: theo dõi một chất mà con người biết rõ lượng đã thải ra và chỉ bị OH phá. Chất được dùng nhiều nhất là methyl chloroform (CH₃CCl₃), một dung môi công nghiệp. Biết lượng thải ra, đo được nồng độ trong không khí giảm nhanh đến đâu, ta suy ra "sức tẩy rửa" trung bình của OH. Mạng đo AGAGE do Ronald Prinn và cộng sự điều hành đã dùng cách này từ cuối thập niên 1970. Vì methyl chloroform bị cấm theo Nghị định thư Montreal và nồng độ nay đã rất thấp, giới khoa học đang tìm các chất "đánh dấu" thay thế.
Ai nhận ra vai trò của OH
Cho tới cuối thập niên 1960, nhiều người nghĩ tầng đối lưu khá "trơ" về hoá học, các chất bị loại bỏ chủ yếu qua mưa và lắng đọng. Năm 1971, Hiram Levy II công bố trên Science lập luận rằng OH có thể hình thành với nồng độ đáng kể trong tầng đối lưu và là chất oxy hoá chính, làm thay đổi cách nhìn về hoá học tầng thấp. Các nghiên cứu tiếp theo của nhiều nhóm, trong đó có Paul Crutzen, đã xác nhận và mở rộng ý tưởng, hình thành nên ngành hoá học quang hoá của tầng đối lưu như hiện nay.
Liệu chất tẩy rửa có đang yếu đi
Một câu hỏi lớn của hoá học khí quyển hiện nay là lượng OH toàn cầu có thay đổi theo thời gian không. Nếu con người thải nhiều mê-tan và CO hơn, OH bị "tiêu hao" nhiều hơn, có thể làm mê-tan sống lâu hơn và tích lại nhanh hơn. Ngược lại, khí hậu ấm, ẩm hơn và nhiều NOx hơn có thể làm OH tăng. Các ước tính dựa trên methyl chloroform cho thấy OH toàn cầu khá ổn định trong mấy thập kỷ qua, dao động vài phần trăm từ năm này sang năm khác, nhưng sai số đủ lớn để các nghiên cứu còn tranh luận về xu hướng.
Năm 2020 là một thí nghiệm tự nhiên hiếm có: giao thông giảm mạnh trong thời gian phong toả vì đại dịch, lượng NOx giảm, và một số nghiên cứu cho rằng OH giảm theo, góp phần vào việc mê-tan tăng nhanh kỷ lục năm đó. Đây vẫn là kết luận đang được kiểm chứng.
Góc nhìn hôm nay
OH là một ví dụ đẹp về việc thứ quan trọng nhất không phải lúc nào cũng là thứ nhiều nhất. Muốn hiểu sâu hơn, giáo trình kinh điển là Atmospheric Chemistry and Physics của John Seinfeld và Spyros Pandis, hoặc Introduction to Atmospheric Chemistry của Daniel Jacob, có bản đọc trực tuyến do tác giả công bố. NASA Earth Observatory và trang của mạng AGAGE cũng có bài giới thiệu dễ hiểu về việc đo các khí vết.
Câu hỏi thường gặp
Gốc hydroxyl là gì?
Gốc hydroxyl (OH) là một phân tử gồm một nguyên tử oxy và một nguyên tử hydro, có một electron không ghép cặp nên phản ứng rất mạnh. Trong khí quyển, nó là chất oxy hoá chính, phá huỷ mê-tan, carbon monoxide và nhiều chất ô nhiễm.
Vì sao OH được gọi là chất tẩy rửa của khí quyển?
Vì OH khởi động quá trình oxy hoá hầu hết các khí vết, biến chúng thành những chất dễ tan trong nước, có thể bị mưa rửa trôi. Không có OH, mê-tan, CO và nhiều chất ô nhiễm sẽ tích tụ nhiều hơn rất nhiều.
OH và mê-tan liên quan thế nào?
Khoảng 90% mê-tan trong khí quyển bị loại bỏ qua phản ứng với OH. Chính tốc độ phản ứng này quyết định mê-tan tồn tại khoảng 12 năm. Nếu OH giảm, mê-tan sẽ sống lâu hơn và tích lại nhanh hơn.
Gốc hydroxyl khác ion hydroxide thế nào?
Ion hydroxide (OH⁻) mang điện tích âm, có trong dung dịch kiềm và khá ổn định. Gốc hydroxyl (·OH) trung hoà điện nhưng có một electron lẻ, cực kỳ hoạt động và chỉ tồn tại chưa tới một giây trong khí quyển.
Làm sao đo được lượng OH trong khí quyển?
Đo tại chỗ bằng huỳnh quang cảm ứng laser trong các chiến dịch thực địa. Để ước tính trung bình toàn cầu, các nhà khoa học theo dõi tốc độ giảm của methyl chloroform, một chất có lượng thải ra đã biết và chủ yếu bị OH phá.
