Сонохимия - Sonochemistry

В химии изучение сонохимии связано с пониманием влияния ультразвука на формирование акустической кавитации в жидкостях, приводящей 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, распространяющихся 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» «Водный барьер. 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 резкого 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 добавить звук в воду - просто крикнуть. Другая проблема заключалась в соотношении времени, которое требовалось для волн более низкой частоты, чтобы проникнуть через стенки пузыря 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 практически незамеченной. Сонохимия пережила ренессанс в 1980-х годах с появлением недорогих и надежных генераторов ультразвука высокой интенсивности, большей частью основанных на пьезоэлектрических элементах.

Физические принципы

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 является почти адиабатическим процессом, 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, поскольку 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 пузырей, облучаемых звуком, - является движущей силой сонохимии и сонолюминесценции. Коллапс пузырьков в жидкостях производит 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 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. Когда 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.

Сонохимические реакции

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 помощью ультразвука). Сонолюминесценция является следствием тех же явлений кавитации, которые ответственны 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 увеличить 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 применение ультразвука часто создает смеси продуктов, в статье, опубликованной в 2007 году в журнале Nature, описывается использование ультразвука для избирательного воздействия на определенную реакцию раскрытия циклобутанового 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 сонохимически.

Сонохимия может выполняться с использованием ванны (обычно используемой для ультразвуковой очистки ) или с помощью датчика высокой мощности, называемого ультразвуковым рупором , который направляет энергию пьезоэлектрического элемента в воду и передает ее в одну (обычно небольшую) точку.

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.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Suslick, KS (1990). «Сонохимия». Наука . 247 (4949): 1439–45. Bibcode : 1990Sci ... 247.1439S . DOI : 10.1126 / science.247.4949.1439 . PMID   17791211 . S2CID   220099341 .
  2. ^ Дерево, RW; Лумис, Альфред Л. (1927). «Физические и биологические эффекты высокочастотных звуковых волн большой интенсивности». Лондонский, Эдинбургский и Дублинский философский журнал и научный журнал . Informa UK Limited. 4 (22): 417–436. DOI : 10.1080 / 14786440908564348 . ISSN   1941-5982 .
  3. ^ a b Suslick, Кеннет С. (1989). «Химические эффекты ультразвука». Scientific American . Springer Nature. 260 (2): 80–86. Bibcode : 1989SciAm.260b..80S . DOI : 10.1038 / Scientificamerican0289-80 . ISSN   0036-8733 . S2CID   124890298 .
  4. ^ Suslick, KS (23 марта 1990). «Сонохимия». Наука . Американская ассоциация развития науки (AAAS). 247 (4949): 1439–1445. Bibcode : 1990Sci ... 247.1439S . DOI : 10.1126 / science.247.4949.1439 . ISSN   0036-8075 . PMID   17791211 . S2CID   220099341 .
  5. ^ a b Suslick, Kenneth S .; Фланниган, Дэвид Дж. (2008). «Внутри схлопывающегося пузыря: сонолюминесценция и условия во время кавитации». Ежегодный обзор физической химии . Ежегодные обзоры. 59 (1): 659–683. Bibcode : 2008ARPC ... 59..659S . DOI : 10.1146 / annurev.physchem.59.032607.093739 . ISSN   0066-426X . PMID   18393682 . S2CID   9914594 .
  6. ^ а б Лейтон, Т.Г. Акустический пузырь; Academic Press: Лондон, 1994, стр. 531–555.
  7. ^ Suslick, Kenneth S .; Хаммертон, Дэвид А .; Клайн, Раймонд Э. (1986). «Сонохимическая горячая точка». Журнал Американского химического общества . Американское химическое общество (ACS). 108 (18): 5641–5642. DOI : 10.1021 / ja00278a055 . ISSN   0002-7863 . S2CID   100496976 .
  8. ^ Флинт, EB; Suslick, KS (20 сентября 1991 г.). «Температура кавитации». Наука . Американская ассоциация развития науки (AAAS). 253 (5026): 1397–1399. Bibcode : 1991Sci ... 253.1397F . DOI : 10.1126 / science.253.5026.1397 . ISSN   0036-8075 . PMID   17793480 . S2CID   22549622 .
  9. ^ Suslick, KS; Doktycz, SJ Adv. Sonochem. 1990, 1, 197–230.
  10. ↑ Эйнхорн, Кэти; Эйнхорн, Жак; Люш, Жан-Луи (1989). «Сонохимия - использование ультразвуковых волн в синтетической органической химии». Синтез . Георг Тиме Верлаг KG. 1989 (11): 787–813. DOI : 10,1055 / с-1989-27398 . ISSN   0039-7881 .
  11. ^ Luche, JL; Соревнования. Рендус. Серия. МИБ 1996, 323, 203, 307.
  12. ^ Pestman, Jolanda M .; Энгбертс, Ян БФН; де Йонг, Фейке (1994). «Сонохимия: теория и приложения». Recueil des Travaux Chimiques des Pays-Bas . Вайли. 113 (12): 533–542. DOI : 10.1002 / recl.19941131202 . ISSN   0165-0513 .
  13. ^ Крам, Лоуренс А. (1994). «Сонолюминесценция». Физика сегодня . Издательство AIP. 47 (9): 22–29. Bibcode : 1994PhT .... 47i..22C . DOI : 10.1063 / 1.881402 . ISSN   0031-9228 . PMID   17771441 .
  14. ^ Putterman, SJ Sci. Am. Февраль 1995 г., стр. 46.
  15. ^ Suslick, Kenneth S .; Касадонте, Доминик Дж. (1987). «Гетерогенный сонокатализ с порошком никеля». Журнал Американского химического общества . Американское химическое общество (ACS). 109 (11): 3459–3461. DOI : 10.1021 / ja00245a047 . ISSN   0002-7863 . S2CID   96340676 .
  16. ^ Зейгер, Брэд У .; Suslick, Кеннет С. (21 сентября 2011 г.). «Сонофрагментация молекулярных кристаллов». Журнал Американского химического общества . Американское химическое общество (ACS). 133 (37): 14530–14533. DOI : 10.1021 / ja205867f . ISSN   0002-7863 . PMID   21863903 . S2CID   12061434 .
  17. ^ Хинман, Джордан Дж .; Суслик, Кеннет С. (11 января 2017 г.). «Синтез наноструктурированных материалов с помощью ультразвука». Темы современной химии . Springer Nature. 375 (1): 12. DOI : 10.1007 / s41061-016-0100-9 . ISSN   2365-0869 . PMID   28078627 . S2CID   29099588 .
  18. ^ «Грубая сила ломает узы» . Новости химии и техники . 22 марта 2007 г.
  19. ^ Атул Кумар, RAMuarya SYNLETT 1987, 109, 3459. https://www.organic-chemistry.org/abstracts/lit2/076.shtm
  20. ↑ Гонсалес-Гарсия, Хосе; Саез, Вероника; Тудела, Игнасио; Диес-Гарсия, Мария Изабель; Десеада Эсклапес, Мария; Луиснард, Оливье (2 февраля 2010 г.). "Сонохимическая очистка воды, загрязненной хлорированными органическими соединениями. Обзор" . Вода . MDPI AG. 2 (1): 28–74. DOI : 10,3390 / w2010028 . ISSN   2073-4441 .

внешние ссылки