Сонохимия
В химии изучение сонохимии связано с пониманием влияния ультразвука на формирование акустической кавитации в жидкостях, что приводит к инициированию или усилению химической активности в растворе. [1] Следовательно, химические эффекты ультразвука не возникают в результате прямого взаимодействия ультразвуковой звуковой волны с молекулами в растворе.
История [ править ]
О влиянии звуковых волн, проходящих через жидкости, впервые сообщили Роберт Уильямс Вуд (1868–1955) и Альфред Ли Лумис (1887–1975) в 1927 году. Эксперимент касался частоты энергии, необходимой звуковым волнам, чтобы «проникнуть в жидкость». «Водный барьер. воды Он пришел к выводу, что звук действительно распространяется быстрее в воде, но из-за плотности Земли по сравнению с атмосферой было невероятно сложно заставить звуковые волны передать свою энергию воде. Из-за внезапного изменения плотности большая часть энергии теряется, как если бы фонарик светил на кусок стекла; некоторая часть света попадает в стекло, но большая его часть теряется из-за отражения наружу. Аналогично и с границей раздела воздух-вода: почти весь звук отражается от воды, а не передается в нее. После долгих исследований они решили, что лучший способ рассеять звук в воде — создать пузырьки одновременно со звуком. Другой проблемой было соотношение времени, необходимого волнам более низкой частоты, чтобы проникнуть через стенки пузырьков и получить доступ к воде вокруг пузыря, по сравнению со временем от этой точки до точки на другом конце водоема. Но, несмотря на революционные идеи этой статьи, она осталась по большей части незамеченной. [2] Сонохимия пережила ренессанс в 1980-х годах с появлением недорогих и надежных генераторов ультразвука высокой интенсивности, большинство из которых основано на пьезоэлектрических элементах. [3]
Физические принципы [ править ]
Звуковые волны, распространяющиеся через жидкость на ультразвуковых частотах, имеют длину волны, во много раз превышающую размеры молекулы или длину связи между атомами в молекуле. Следовательно, звуковая волна не может напрямую влиять на колебательную энергию связи и, следовательно, не может напрямую увеличивать внутреннюю энергию молекулы. [4] [5] Вместо этого сонохимия возникает в результате акустической кавитации : образования, роста и имплозивного коллапса пузырьков в жидкости. [3] Коллапс этих пузырьков представляет собой почти адиабатический процесс, что приводит к массовому накоплению энергии внутри пузыря, что приводит к чрезвычайно высоким температурам и давлениям в микроскопической области обработанной ультразвуком жидкости. Высокие температуры и давления приводят к химическому возбуждению любого вещества внутри или очень близко к пузырю, поскольку он быстро взрывается. может привести к самым разным последствиям, Акустическая кавитация включая сонолюминесценцию , повышенную химическую активность в растворе из-за образования первичных и вторичных радикальных реакций, а также повышенную химическую активность за счет образования новых, относительно стабильных химических частиц, которые могут диффундировать дальше вглубь раствора. раствор для создания химических эффектов (например, образование перекиси водорода из соединения двух гидроксильных радикалов после диссоциации водяного пара внутри схлопывающихся пузырьков при воздействии на воду ультразвука).
При облучении звуком высокой интенсивности или ультразвуком обычно возникает акустическая кавитация. Кавитация – образование, рост и взрывной коллапс пузырьков, облученных звуком – является толчком к сонохимии и сонолюминесценции . [6] Схлопывание пузырька в жидкости производит огромное количество энергии за счет преобразования кинетической энергии движения жидкости в нагрев содержимого пузырька. Сжатие пузырьков во время кавитации происходит быстрее, чем тепловой перенос, что приводит к образованию кратковременных локализованных горячих точек. Экспериментальные результаты показали, что эти пузырьки имеют температуру около 5000 К, давление около 1000 атм, а скорости нагрева и охлаждения выше 10 К. 10 К/с. [7] [8] Эти кавитации могут создавать экстремальные физические и химические условия в холодных жидкостях.
С жидкостями, содержащими твердые вещества, аналогичные явления могут возникнуть при воздействии ультразвука. Когда кавитация возникает вблизи протяженной твердой поверхности, коллапс полости имеет несферическую форму и выбрасывает на поверхность высокоскоростные струи жидкости. [6] Эти струи и связанные с ними ударные волны могут повредить сильно нагретую поверхность. Жидко-порошковые суспензии вызывают высокоскоростные столкновения частиц. Эти столкновения могут изменить морфологию поверхности , состав и реакционную способность. [9]
Сонохимические реакции [ править ]
Существуют три класса сонохимических реакций: гомогенная сонохимия жидкостей, гетерогенная сонохимия систем жидкость-жидкость или твердое-жидкость и, пересекаясь с указанными выше, сонокатализ (катализ или увеличение скорости химической реакции ультразвуком). [10] [11] [12] Сонолюминесценция является следствием тех же кавитационных явлений, которые ответственны за гомогенную сонохимию. [13] [14] [5] Химическое усиление реакций с помощью ультразвука было исследовано и имеет полезные применения в смешанно-фазовом синтезе, химии материалов и биомедицинских целях. Поскольку кавитация может возникать только в жидкостях, химические реакции не наблюдаются при ультразвуковом облучении твердых тел или систем твердое тело-газ.
Например, в химической кинетике было замечено, что ультразвук может значительно повысить химическую активность в ряде систем почти в миллион раз; [15] эффективно действует для активации гетерогенных катализаторов. Кроме того, в реакциях на границе раздела жидкость-твердое тело ультразвук разбивает твердые частицы и обнажает активные чистые поверхности за счет микроструйной питтинговой коррозии вблизи поверхностей и фрагментации твердых тел в результате кавитационного коллапса вблизи них. Это дает твердому реагенту большую площадь активных поверхностей для протекания реакции, увеличивая наблюдаемую скорость реакции. [16] [17]
Хотя применение ультразвука часто приводит к образованию смесей продуктов, в статье, опубликованной в 2007 году в журнале Nature, описано использование ультразвука для избирательного воздействия на определенную реакцию раскрытия циклобутанового кольца. [18] Атул Кумар сообщил о многокомпонентной реакции синтеза эфиров Ханча в водных мицеллах с использованием ультразвука. [19]
Некоторые загрязнители воды, особенно хлорорганические соединения, можно разрушить сонохимически. [20]
Сонохимию можно проводить с использованием ванны (обычно используемой для ультразвуковой очистки ) или с помощью мощного зонда, называемого ультразвуковым рупором , который направляет и передает энергию пьезоэлектрического элемента в воду, сконцентрированную в одной (обычно небольшой) точке.
Сонохимию также можно использовать для сварки металлов, которые обычно невозможно соединить, или для образования новых сплавов на металлической поверхности. Отдалённо это связано с методом калибровки ультразвуковых очистителей с помощью листа алюминиевой фольги и подсчёта отверстий. Образующиеся отверстия являются результатом микроструйной точечной коррозии, возникающей в результате кавитации вблизи поверхности, как упоминалось ранее. Из-за тонкости и слабости алюминиевой фольги кавитация быстро приводит к фрагментации и разрушению фольги.
Новое поколение сонохимии использует преимущества функциональных сегнетоэлектрических материалов для дальнейшего улучшения химии в сонохимическом реакторе в новом процессе, называемом пьезокатализ. [21] [22]
См. также [ править ]
- УЗИ
- обработка ультразвуком
- Ультразвук
- ультразвуковой гомогенизатор
- гомогенизатор
- Гомогенизация (химия)
- Соноэлектрохимия
- Кеннет С. Саслик
Ссылки [ править ]
- ^ Суслик, К.С. (1990). «Сонохимия». Наука . 247 (4949): 1439–45. Бибкод : 1990Sci...247.1439S . дои : 10.1126/science.247.4949.1439 . ПМИД 17791211 . S2CID 220099341 .
- ^ Вуд, RW; Лумис, Альфред Л. (1927). «Физические и биологические эффекты высокочастотных звуковых волн большой интенсивности». Лондонский, Эдинбургский и Дублинский философский журнал и научный журнал . 4 (22). Информа UK Limited: 417–436. дои : 10.1080/14786440908564348 . ISSN 1941-5982 .
- ↑ Перейти обратно: Перейти обратно: а б Саслик, Кеннет С. (1989). «Химическое воздействие ультразвука». Научный американец . 260 (2). Спрингер Природа: 80–86. Бибкод : 1989SciAm.260b..80S . doi : 10.1038/scientificamerican0289-80 . ISSN 0036-8733 . S2CID 124890298 .
- ^ Суслик, Канзас (23 марта 1990 г.). «Сонохимия». Наука . 247 (4949). Американская ассоциация содействия развитию науки (AAAS): 1439–1445. Бибкод : 1990Sci...247.1439S . дои : 10.1126/science.247.4949.1439 . ISSN 0036-8075 . ПМИД 17791211 . S2CID 220099341 .
- ↑ Перейти обратно: Перейти обратно: а б Саслик, Кеннет С.; Фланниган, Дэвид Дж. (2008). «Внутри схлопывающегося пузыря: сонолюминесценция и условия кавитации». Ежегодный обзор физической химии . 59 (1). Годовые обзоры: 659–683. Бибкод : 2008ARPC...59..659S . doi : 10.1146/annurev.physchem.59.032607.093739 . ISSN 0066-426X . ПМИД 18393682 . S2CID 9914594 .
- ↑ Перейти обратно: Перейти обратно: а б Лейтон, Т.Г. Акустический пузырь; Academic Press: Лондон, 1994, стр. 531–555.
- ^ Саслик, Кеннет С.; Хаммертон, Дэвид А.; Клайн, Раймонд Э. (1986). «Сонохимическая горячая точка». Журнал Американского химического общества . 108 (18). Американское химическое общество (ACS): 5641–5642. дои : 10.1021/ja00278a055 . ISSN 0002-7863 . S2CID 100496976 .
- ^ Флинт, Э.Б.; Суслик, Канзас (20 сентября 1991 г.). «Температура кавитации». Наука . 253 (5026). Американская ассоциация развития науки (AAAS): 1397–1399. Бибкод : 1991Sci...253.1397F . дои : 10.1126/science.253.5026.1397 . ISSN 0036-8075 . ПМИД 17793480 . S2CID 22549622 .
- ^ Суслик, Канзас; Доктыч, SJ Адв. Сонохем. 1990, 1, 197–230.
- ^ Эйнхорн, Кэти; Эйнхорн, Жак; Люш, Жан-Луи (1989). «Сонохимия - использование ультразвуковых волн в синтетической органической химии». Синтез . 1989 (11). Георг Тиме Верлаг, КГ: 787–813. дои : 10.1055/s-1989-27398 . ISSN 0039-7881 .
- ^ Луче, JL; Соревнования. Рендус. Ряд. МИБ 1996, 323, 203, 307.
- ^ Пестман, Иоланда М.; Энгбертс, Ян БФН; де Йонг, Фейке (1994). «Сонохимия: теория и приложения». Коллекция химических предприятий Нидерландов . 113 (12). Уайли: 533–542. дои : 10.1002/recl.19941131202 . ISSN 0165-0513 .
- ^ Крам, Лоуренс А. (1994). «Сонолюминесценция». Физика сегодня . 47 (9). Издательство АИП: 22–29. Бибкод : 1994PhT....47i..22C . дои : 10.1063/1.881402 . ISSN 0031-9228 . ПМИД 17771441 .
- ^ Путтерман, SJ Sci. Являюсь. Февраль 1995 г., с. 46.
- ^ Саслик, Кеннет С.; Касадонте, Доминик Дж. (1987). «Гетерогенный сонокатализ порошком никеля». Журнал Американского химического общества . 109 (11). Американское химическое общество (ACS): 3459–3461. дои : 10.1021/ja00245a047 . ISSN 0002-7863 . S2CID 96340676 .
- ^ Зейгер, Брэд В.; Саслик, Кеннет С. (21 сентября 2011 г.). «Сонофрагментация молекулярных кристаллов». Журнал Американского химического общества . 133 (37). Американское химическое общество (ACS): 14530–14533. дои : 10.1021/ja205867f . ISSN 0002-7863 . ПМИД 21863903 . S2CID 12061434 .
- ^ Хинман, Джордан Дж.; Саслик, Кеннет С. (11 января 2017 г.). «Синтез наноструктурированных материалов с использованием ультразвука». Темы современной химии . 375 (1). Springer Nature: 12. doi : 10.1007/s41061-016-0100-9 . ISSN 2365-0869 . ПМИД 28078627 . S2CID 29099588 .
- ^ «Грубая сила разрывает связи» . Новости химии и техники . 22 марта 2007 г.
- ^ Атул Кумар, РАМуария СИНЛЕТТ 1987, 109, 3459. https://www.organic-chemistry.org/abstracts/lit2/076.shtm
- ^ Гонсалес-Гарсия, Хосе; Саес, Вероника; Тудела, Игнасио; Диес-Гарсия, Мария Исабель; Десеада Эсклапес, Мария; Луиснар, Оливье (2 февраля 2010 г.). «Сонохимическая очистка воды, загрязненной хлорорганическими соединениями. Обзор» . Вода . 2 (1). МДПИ АГ: 28–74. дои : 10.3390/w2010028 . ISSN 2073-4441 .
- ^ Нань Мэн, Вэй Лю, Рую Цзян, Юй Чжан, Стив Данн, Цзиюэ Ву, Хайсюэ Янь Основы, достижения и перспективы пьезокатализа: союз физики твердого тела и каталитической химии https://doi.org/10.1016/j .pmatsci.2023.101161
- ^ Шучен Ту, Юси Го, Ихэ Чжан, Ченг Ху, Тируй Чжан, Тяньи Ма, Хунвэй Хуан Пьезокатализ и пьезофотокатализ: стратегия классификации и модификации катализаторов, механизм реакции и практическое применение https://doi.org/10.1002/adfm .202005158
Внешние ссылки [ править ]
- Химические и физические эффекты ультразвука, профессор К.С. Суслик
- Сонохимия – краткий обзор и новейшая литература
- Сонохимия: новые возможности для зеленой химии, Грегори Шатель (Университет Савойи-Монблан, Франция)
Отрасли химии | |
|---|---|
| Аналитический | |
| Теоретический | |
| Физический | |
| Неорганический | |
| Органический | |
| Биологический | |
| Междисциплинарность | |
| См. также | |
