Quantum-chemical investigation on the pre-nucleation cluster formation between oxalic acid conformers and atmospheric nucleation precursors

Abstract

Partículas de aerossol formadas na troposfera terrestre através do processo de nucleação têm um grande impacto no balanço radiativo do planeta, na formação de nuvens e nos padrões de precipitação. As crescentes preocupações com as mudanças climáticas em diferentes partes do mundo servem como motivação para a comunidade científica estudar os processos de formação e as propriedades físico-químicas dos aerossóis atmosféricos. O ácido oxálico é um dos ácidos dicarboxílicos mais simples e naturalmente presentes na atmosfera, sendo encontrado em abundância e apresentando vários conformações estruturais estáveis. As interações do ácido oxálico, mediadas por ligações de hidrogênio, com outras moléculas atmosféricas são importantes, pois podem influenciar a composição química da atmosfera, impactando assim a físico-química atmosférica e os processos ambientais. Neste trabalho, realizamos cálculos de Teoria do Funcional da Densidade com o modelo M06-2X/6-311++G(3df,3pd) para examinar a interação de diferentes conformações do ácido oxálico com ácido sulfúrico e amônia — duas moléculas amplamente reconhecidas como precursoras da nucleação atmosférica — com o objetivo de observar as características das ligação de hidrogênio das conformações individuais. Uma extensa e sistemática análise químico-quântica foi conduzida para analisar as características estruturais, termodinâmicas, elétricas e espectroscópicas de vários aglomerados binários e ternários mediados por cinco conformações do ácido oxálico. Nossa análise das energias de ligação eletrônica e das variações na energia livre associadas à formação de aglomerados e sua distribuição populacional em temperatura ambiente revela que múltiplas conformações do ácido oxálico têm potencial para formar aglomerados estáveis na atmosfera. De fato, a conformação de ácido oxálico de maior energia contribui de forma mais significativa para a distribuição populacional dos aglomerados. De acordo com os cálculos realizados, os aglomerados de ácido oxálico com ácido sulfúrico apresentam maior estabilidade termodinâmica e maior intensidade de espalhamento de luz em comparação com aqueles formados com amônia. Além disso, a análise da formação sucessiva de aglomerados revela que os aglomerados formados entre o ácido sulfúrico e o ácido oxálico têm maior probabilidade de crescer espontaneamente do que aqueles formados entre a amônia e o ácido oxálico.