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. Следовательно, химические эффекты ультразвука не возникают в результате прямого взаимодействия ультразвуковой звуковой волны с молекулами в растворе.

История

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. Сонохимия пережила ренессанс в 1980-х годах с появлением недорогих и надежных генераторов ультразвука высокой интенсивности, большинство из которых основано на пьезоэлектрических элементах.

Физические принципы

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. Вместо этого сонохимия возникает в результате акустической кавитации : образования, роста и имплозивного коллапса пузырьков в жидкости. Коллапс этих пузырьков представляет собой почти адиабатический процесс, что приводит к массовому накоплению энергии внутри пузырька, 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 . 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. 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. 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 , состав и реакционную способность поверхности.

Сонохимические реакции

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). Сонолюминесценция является следствием тех же кавитационных явлений, которые ответственны за гомогенную сонохимию. 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; 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.

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 циклобутанового кольца. реакцию раскрытия Атул Кумар сообщил о многокомпонентной реакции синтеза эфиров Ханча в водных мицеллах с использованием ультразвука.

Некоторые загрязнители воды, особенно хлорорганические соединения, можно разрушить сонохимически.

Сонохимию можно проводить с помощью 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, соединение которых обычно невозможно, или для образования новых сплавов на металлической поверхности. Это имеет отдаленное отношение к методу калибровки ультразвуковых очистителей с помощью листа алюминиевой фольги и подсчета 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.

См. также

• УЗИ
• обработка ультразвуком
• Ультразвук
• ультразвуковой гомогенизатор
• гомогенизатор
• Гомогенизация (химия)
• Соноэлектрохимия
• Кеннет С. Саслик

Внешние ссылки

• 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)