The Production and Characterisation of High Purity Ozone and Experimental and Modelling Studies of Anomalous Oxygen Isotope Effects in the Formation of Carbon Dioxide from Irradiated Mixtures of Carbon Monoxide and Ozone or Oxygen

par Daniela Simone

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Christof Janssen et de Matthew S Johnson.

Le jury était composé de À renseigner Johson, À renseigner Roeckmann, À renseigner Krim, À renseigner Landais, À renseigner Rotger, À renseigner Janssen.

  • Titre traduit

    Formation et caractérisation de l'ozone de très haute pureté et étude cinétique, par modélisation et spectroscopie moléculaire, de la formation de CO2 à partir de mélanges irradiés de CO et de O3/O2 pour comprendre sa composition isotopique anormale


  • Résumé

    La réaction de formation de l’ozone O+O2+M→O3+M est un exemple unique de réaction chimique qui mène à une composition isotopique anormale des produits, probablement due à une brisure de symétrie. L’existence d’autres réactions chimiques présentant des effets isotopiques similaires est encore controversée malgré des études affirmant que de telles réactions existent. Ainsi, deux études sur la réaction O+CO+M → CO2+M indiquent un fractionnement indépendant de la masse de 8% environ. Néanmoins, la présence d’ozone dans ces expériences soulève des questions en ce qui concerne la validité des résultats. Nous avons donc étudié à nouveau la réaction O+CO+M dans le photoréacteur installé au CCAR (Université de Copenhague) où les réactifs et les contaminants sont surveillés par spectroscopie FTIR. Cette étude, combinée avec l’analyse de la distribution spectrale des lampes utilisées et la modélisation cinétique des isotopes, mène à une réinterprétation complète des expériences précédentes. Nous concluons que les mesures disponibles sont plus compatibles avec l’hypothèse qu’aucune anomalie isotopique indépendante de la masse n’a lieu dans la réaction O+CO et que toutes les observations peuvent être complètement expliquées par un transfert isotopique à partir de l’ozone.Nous présentons également une méthode pour produire des échantillons d’ozone à haute pureté et déterminer une limite supérieure des contaminations par les oxydes d’azote basée sur des mesures par spectrométrie de masse. Ces valeurs pourront être utilisées comme référence pour de futures études sur les sections efficaces d’absorption de l’ozone dans l’IR et l’UV.


  • Résumé

    The ozone formation reaction O+O2+M→O3+M is a unique example of a chemical reaction that leads to an anomalous isotopic composition of the products, most likely due to symmetry – breaking effects. So far, results on other chemical systems that might show similar effects are spurious, even though such claims concerning reactions other than the formation of ozone have been made repeatedly.This applies in particular to the spin forbidden O+CO+M→CO2+M reaction, where two studies report a mass-independent fractionation of about 8%. Nevertheless, the presence of ozone in these experiments raises questions as to the validity of this assertion. We thus make a new attempt to study the O+CO+M reaction in the photoreactor at CCAR (University of Copenhagen) where reagents and contaminants are monitored on-line by FTIR spectroscopy. This study combined with the analysis of the spectral distribution of the employed lamps and isotope kinetic modeling lead to a complete re-interpretation of previous experiments. We conclude that available measurements are more compatible with the hypothesis that there is no mass-independent isotope fractionation in the O+CO reaction. We propose that all observations can be completely explained by an isotope transfer from ozone, involving photolytic production of O(1D) that in turn leads to OH radicals, which then rapidly form CO2 from reaction with CO. We also present a method to produce pure ozone samples and derive an upper limit on nitrogen oxide contaminations based on mass spectrometer measurements. These values will serve as benchmarks values for future studies of ozone absorption cross sections in the IR and UV.


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