Войти
В химии изучение сонохимии связано с пониманием влияния ультразвука на формирование акустической кавитации в жидкости, что приводит к инициированию или усилению химической активности раствора. Следовательно, химические эффекты ультразвука не возникают из-за прямого взаимодействия ультразвуковой звуковой волны с молекулами в растворе.
Влияние О звуковых волнах, распространяющихся через жидкости, впервые сообщили Роберт Вильямс Вуд (1868–1955) и Альфред Ли Лумис (1887–1975) в 1927 году. Эксперимент касался частоты энергии, необходимой звуковым волнам, чтобы «проникнуть» в барьер воды. Он пришел к выводу, что звук в воде распространяется быстрее, но из-за плотности воды по сравнению с земной атмосферой было невероятно трудно заставить звуковые волны передавать свою энергию воде. Из-за внезапного изменения плотности большая часть энергии теряется, как если бы вы светили фонариком на кусок стекла; часть света проходит в стекло, но большая его часть теряется из-за отражения наружу. Точно так же с поверхностью 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 - это издавать громкие звуки в воде, создавая пузырьки, которые появляются одновременно со звуком. Один из самых простых способов направить звук в воду - просто закричать. {{Требуется цитата}} Еще одна проблема заключалась в соотношении времени, которое требовалось для волн более низкой частоты, чтобы проникнуть через стенки пузырей и получить доступ к воде вокруг пузырь по сравнению со временем от этой точки до точки на другом конце водоема. Но, несмотря на революционные идеи этой статьи, она осталась практически незамеченной. Сонохимия пережила ренессанс в 1980-х годах с появлением недорогих и надежных генераторов ультразвука высокой интенсивности, большей частью основанных на пьезоэлектрических элементах.
Звуковые волны, распространяющиеся через жидкость на ультразвуковых частотах. имеют длины волн, во много раз превышающие 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 из акустической кавитации : образования, роста и имплозивного схлопывания пузырьков в жидкости. Коллапс этих пузырьков представляет собой почти адиабатический процесс, что приводит к массивному накоплению энергии внутри пузырька, что приводит к чрезвычайно высоким температурам и давлению в микроскопической области обработанной ультразвуком жидкости. Высокие температуры и давления приводят к химическому возбуждению любого вещества внутри пузыря или очень близко к нему, когда он быстро взрывается. Широкое разнообразие результатов может быть результатом акустической кавитации, 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 соединений, которые могут диффундировать дальше в раствор. раствор для создания химических эффектов (например, образование перекиси водорода из комбинации двух гидроксильных радикалов после диссоциации водяного пара внутри схлопывающихся пузырьков, когда вода подвергается воздействию ультразвука).
При облучении звуком высокой интенсивности или ультразвуком обычно возникает акустическая кавитация. Кавитация - образование, рост и имплозивное схлопывание пузырьков, облучаемых звуком, - является стимулом для сонохимии и сонолюминесценции. При схлопывании пузырьков в жидкостях выделяется огромное количество энергии за счет преобразования кинетической энергии движения жидкости в нагрев содержимого пузырька. Сжатие пузырьков во время кавитации происходит быстрее, чем перенос тепла, который создает кратковременную локализованную горячую точку. Экспериментальные результаты показали, что эти пузырьки имеют температуру около 5000 К, давление около 1000 атм и скорость нагрева и охлаждения выше 10 К / с. Эти кавитации могут создавать экстремальные физические и химические условия в холодных жидкостях.
С жидкостями, содержащими твердые частицы, подобные явления могут возникать при воздействии ультразвука. Как только кавитация возникает около протяженной твердой поверхности, схлопывание полости становится несферической и приводит к выбросу высокоскоростных струй жидкости на поверхность. Эти струи и связанные с ними ударные волны могут повредить сильно нагретую поверхность. Суспензии жидкого порошка вызывают столкновения частиц с высокой скоростью. Эти столкновения могут изменить морфологию поверхности, состав и реакционную способность.
Существуют три класса сонохимических реакций: гомогенная сонохимия жидкостей, гетерогенная сонохимия систем жидкость-жидкость или твердое тело-жидкость. и, перекрываясь с вышеупомянутым, сонокатализ (катализ или увеличение скорости химической реакции с ультразвуком). Сонолюминесценция является следствием того же явления кавитации, которое отвечает за однородную сонохимию. Химическое усиление реакций с помощью ультразвука было исследовано и имеет полезные применения в смешанном фазовом синтезе, химии материалов и биомедицинских применениях. Поскольку кавитация может происходить 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 реактивность в ряде систем в миллион раз; эффективно действует для активации гетерогенных катализаторов. Кроме того, в реакциях на границах раздела жидкость-твердое тело ультразвук разрушает твердые частицы и обнажает активные чистые поверхности из-за микроструйного питтинга из-за кавитации вблизи поверхностей и из-за фрагментации твердых тел в результате кавитационного схлопывания поблизости. Это дает твердому реагенту большую площадь активных поверхностей для протекания реакции, увеличивая наблюдаемую скорость реакции.,
Хотя при применении ультразвука часто образуются смеси продуктов, в статье, опубликованной в 2007 году в журнале Nature, описывается использование ультразвука для избирательного воздействия на определенный циклобутан реакция раскрытия кольца. Атул Кумар сообщил о многокомпонентной реакции синтеза эфира Ганча в водных мицеллах с использованием ультразвука.
Некоторые загрязнители воды, особенно хлорированные органические соединения, могут быть уничтожены сонохимическим путем.
Сонохимия может выполняться с использованием ванны (обычно используемой для ультразвуковой очистки ) или с помощью зонда высокой мощности, называемого ультразвуковым рупором, который направляет энергию пьезоэлектрического элемента в вода, сконцентрированная в одной (обычно небольшой) точке.
Сонохимия также может использоваться для сварки металлов, которые обычно невозможно соединить, или образования новых сплавов на металлической поверхности. Это отдаленно связано с методом калибровки ультразвуковых очистителей с использованием листа алюминиевой фольги и подсчета отверстий. Образовавшиеся отверстия являются результатом микроструйной точечной коррозии в результате кавитации у поверхности, как упоминалось ранее. Из-за тонкости и непрочности алюминиевой фольги кавитация быстро приводит к фрагментации и разрушению фольги.
