Сонохимия: Ылғалдағы дыбыс толқындарының химиялық әсерлері

Кіріспе

Химияда сонохимияны зерттеу – сұйықтықтарда акустикалық кавитацияның пайда болуына ультрадыбыстың тигізетін әсерін түсінумен айналысады, бұл ерітіндіде химиялық реакциялардың басталуына немесе күшеюіне алып келеді. Демек, ультрадыбыстың химиялық әсері ультрадыбыстық толқынның ерітіндідегі молекулалармен тікелей өзара әрекеттесуінен туындамайды.

Тарих

Сұйықтықтар арқылы өтетін дыбыстық толқындардың әсері алғаш рет 1927 жылы Роберт Уильямс Вуд (1868-1955) және Альфред Ли Лумис (1887-1975) тарапынан баяндалды. Эксперимент дыбыстық толқындардың судың кедергісін "жеңіп өтуіне" қажетті энергияның жиілігіне қатысты. Ол дыбыс суда жылдам таралатынын анықтады, бірақ судың Жер атмосферасына қарағанда жоғары тығыздығына байланысты, дыбыстық толқындардың энергиясын суға жеткізу өте қиын болды. Тығыздық күрт өзгергендіктен, энергияның көп бөлігі жоғалып, шыныға бағытталған шамды жарқыратуға ұқсас болады: жарықтың бір бөлігі шыныға өтеді, ал қалғаны сыртқа шағылысады. Су-ауа интерфейсінде де осыған ұқсас жағдай орын алады, дыбыстың көбі суға өтудің орнына, судан кері шағылысады. Көптеген зерттеулерден кейін, дыбысты суға таратудың ең тиімді жолы - дыбыс шыққан сәтте бірге көпіршіктер жасау екені анықталды. Тағы бір мәселе - төмен жиілікті толқындардың көпіршік қабырғаларын тесіп, көпіршік маңындағы суға жетуіне кеткен уақыт пен судың екінші жағындағы нүктеге дейінгі уақыт арасындағы қатынас болды. Алайда, бұл мақаланың революциялық идеяларына қарамастан, ол көбінесе назарсыз қалды. Сонохимия 1980-ші жылдары арзан және сенімді жоғары интенсивті ультрадыбыс генераторларының пайда болуымен қайта жанданды, олардың көпшілігі пьезоэлектр элементтеріне негізделген. Бірақ сонохимия акустикалық кавитациядан туындайды: сұйықтықтағы көпіршіктердің пайда болуы, өсуі және күшті құлдырауы. Бұл көпіршіктердің құлдырауы дерлік адиабатикалық процесс болып табылады, осылайша көпіршіктің ішінде энергияның күрт жиналуына және сонымен қатар соникацияланған сұйықтықтың микроскопиялық аймағында өте жоғары температура мен қысымның пайда болуына әкеледі. Жоғары температура мен қысым көпіршіктің ішіндегі немесе жақын орналасқан кез келген заттың химиялық белсенділігін күшейтеді, себебі ол тез арада жарылады. Акустикалық кавитациядан сонолюминесценция, бірінші және екінші реттік радикалдық реакциялардың пайда болуынан ерітіндідегі химиялық белсенділіктің артуы және жаңа, салыстырмалы түрде тұрақты химиялық түрлердің пайда болуы сияқты әртүрлі нәтижелер туындауы мүмкін, бұл түрлер ерітіндіге одан әрі таралып химиялық әсерлерді тудырады (мысалы, су ультрадыбысқа ұшыраған кезде су буының ыдырауынан пайда болатын екі гидроксил радикалының бірігуінен сутек пероксидінің пайда болуы). Жоғары интенсивті дыбыс немесе ультрадыбыс сәулелендіру кезінде акустикалық кавитация әдетте пайда болады. Кавитация – дыбыспен сәулеленген көпіршіктердің пайда болуы, өсуі және күшті құлдырауы – сонохимия мен сонолюминесценцияның бастамасы болып табылады. Сұйықтықтағы көпіршіктердің құлдырауы сұйықтық қозғалысының кинетикалық энергиясын көпіршіктің ішіндегі жылуға айналдыру арқылы зор мөлшерде энергия шығарады. Кавитация кезінде көпіршіктердің сығылуы жылу тасымалынан жылдамдатылады, бұл қысқа мерзімді жергілікті қызған ошақты тудырады. Эксперименттік нәтижелер көрсеткендей, бұл көпіршіктердің температурасы шамамен 5000 К, қысымы 1000 атм шамасында, ал қызу және салқындату жылдамдығы 1010 К/с-тан жоғары болады. Бұл кавитациялар мұздай суық сұйықтықтарда да ерекше физикалық және химиялық жағдайларды тудыра алады. Сұйықтықта қатты бөлшектер болған жағдайда, ультрадыбысқа ұшырағанда ұқсас құбылыстар орын алуы мүмкін. Кавитация кеңейтілген қатты бетке жақын пайда болғанда, қуыстың құлдырауы сфералық емес болып келеді және сұйықтықтың жоғары жылдамдықты ағынын бетке қарай қозғайды.

The influence of sonic waves travelling through liquids was first reported by Robert Williams Wood (1868–1955) and Alfred Lee Loomis (1887–1975) in 1927. The experiment was about the frequency of the energy that it took for sonic waves to "penetrate" the barrier of water. He came to the conclusion that sound does travel faster in water, but because of the water's density compared to Earth's atmosphere it was incredibly hard to get the sonic waves to couple their energy into the water. Due to the sudden density change, much of the energy is lost, similar to shining a flashlight towards a piece of glass; some of the light is transmitted into the glass, but much of it is lost to reflection outwards. Similarly with an air water interface, almost all of the sound is reflected off the water, instead of being transmitted into it. After much research they decided that the best way to disperse sound into the water was to create bubbles at the same time as the sound. Another issue was the ratio of the amount of time it took for the lower frequency waves to penetrate the bubbles walls and access the water around the bubble, compared to the time from that point to the point on the other end of the body of water. But despite the revolutionary ideas of this article it was left mostly unnoticed. Sonochemistry experienced a renaissance in the 1980s with the advent of inexpensive and reliable generators of high intensity ultrasound, most based around piezoelectric elements. Instead, sonochemistry arises from acoustic cavitation: the formation, growth, and implosive collapse of bubbles in a liquid. The collapse of these bubbles is an almost adiabatic process, thereby resulting in the massive build up of energy inside the bubble, resulting in extremely high temperatures and pressures in a microscopic region of the sonicated liquid. The high temperatures and pressures result in the chemical excitation of any matter within or very near the bubble as it rapidly implodes. A broad variety of outcomes can result from acoustic cavitation including sonoluminescence, increased chemical activity in the solution due to the formation of primary and secondary radical reactions, and increased chemical activity through the formation of new, relatively stable chemical species that can diffuse further into the solution to create chemical effects (for example, the formation of hydrogen peroxide from the combination of two hydroxyl radicals following the dissociation of water vapor within collapsing bubbles when water is exposed to ultrasound). Upon irradiation with high intensity sound or ultrasound, acoustic cavitation usually occurs. Cavitation – the formation, growth, and implosive collapse of bubbles irradiated with sound — is the impetus for sonochemistry and sonoluminescence. Bubble collapse in liquids produces enormous amounts of energy from the conversion of kinetic energy of the liquid motion into heating the contents of the bubble. The compression of the bubbles during cavitation is more rapid than thermal transport, which generates a short lived localized hot spot. Experimental results have shown that these bubbles have temperatures around 5000 K, pressures of roughly 1000 atm, and heating and cooling rates above 1010 K/s. These cavitations can create extreme physical and chemical conditions in otherwise cold liquids. With liquids containing solids, similar phenomena may occur with exposure to ultrasound. Once cavitation occurs near an extended solid surface, cavity collapse is nonspherical and drives high speed jets of liquid to the surface.

Сонохимиялық реакциялар

Сонохимиялық реакциялардың үш класы бар: сұйықтардың гомогенді сонохимиясы, сұйық-сұйық немесе қатты-сұйық жүйелердің гетерогенді сонохимиясы және жоғарыда аталғанмен байланысты, сонокатализ (ультрадыбыспен химиялық реакцияның катализін немесе жылдамдығын арттыру). Сонолюминесценция – біртекті сонохимияға жауапты кавитация құбылыстарының салдары болып табылады, гетерогенді катализаторларды белсендіруге тиімді әсер етеді. Сонымен қатар, сұйық-қатты интерфейстердегі реакцияларда ультрадыбыс қатты бөлшектерді ұсақтап, кавитацияның бетке жақын әсерінен және кавитациялық күштерден қатты денелердің фрагментациясынан микрожеттік шұңқырлар арқылы белсенді, таза беттерді ашып көрсетеді. Бұл қатты реактивке реакция жүруі үшін белсенді беттердің үлкен ауданын ұсынады, реакцияның байқалатын жылдамдығын арттырады. Ультрадыбысты қолдану көбінесе өнімдердің қоспаларын тудырса да, 2007 жылы Nature журналында жарияланған мақалада ультрадыбыстың белгілі бір циклобутан сақинасын ашу реакциясына таңдамалы түрде әсер етуі сипатталған. Атул Кумар ультрадыбысты қолдану арқылы сулы мицеллаларда көпкомпонентті Ханцш эфирі синтезі туралы хабарлады. Кейбір су ластағыштары, әсіресе хлорланған органикалық қосылыстар, сонохимиялық жолмен жойылуы мүмкін. Сонохимияны ультрадыбыстық ванна (әдетте ультрадыбыстық тазалау үшін қолданылады) немесе жоғары қуатты зонд, яғни ультрадыбыстық мүйіз арқылы жүргізуге болады, ол пьезоэлектрлік элементтің энергиясын суға бағыттап, біріктіреді және оны бір (әдетте кішкентай) нүктеде шоғырландырады. Сонохимияны әдетте қосылуы қиын металдарды дәнекерлеу үшін немесе металл бетінде жаңа қорытпаларды жасау үшін де қолдануға болады. Бұл алюминий фольгасын қолдана отырып ультрадыбыстық тазалағыштарды калибрлеу және тесіктерді санау әдісімен алыстан байланысты. Түзілген тесіктер бұрын айтылғандай, бетке жақын кавитациядан туындаған микрожеттік шұңқырлардың нәтижесінде пайда болады. Алюминий фольгасының жұқалығы мен нашарлығына байланысты кавитация тез арада оның фрагментациясына және жойылуына әкеледі. Сонохимияның жаңа буыны функционалды, ферроэлектрлік материалдардың артықшылықтарын пайдаланып, пьезокатализ деп аталатын жаңа процесте сонохимиялық реактордағы химияны одан әрі жақсартуға бағытталған.

Three classes of sonochemical reactions exist: homogeneous sonochemistry of liquids, heterogeneous sonochemistry of liquid liquid or solid–liquid systems, and, overlapping with the aforementioned, Sonocatalyse (the catalysis or increasing the rate of a chemical reaction with ultrasound). Sonoluminescence is a consequence of the same cavitation phenomena that are responsible for homogeneous sonochemistry. effectively acting to activate heterogeneous catalysts. In addition, in reactions at liquid solid interfaces, ultrasound breaks up the solid pieces and exposes active clean surfaces through microjet pitting from cavitation near the surfaces and from fragmentation of solids by cavitation collapse nearby. This gives the solid reactant a larger surface area of active surfaces for the reaction to proceed over, increasing the observed rate of reaction.,

While the application of ultrasound often generates mixtures of products, a paper published in 2007 in the journal Nature described the use of ultrasound to selectively affect a certain cyclobutane ring opening reaction. Atul Kumar has reported multicomponent reaction Hantzsch ester synthesis in Aqueous Micelles using ultrasound. Some water pollutants, especially chlorinated organic compounds, can be destroyed sonochemically. Sonochemistry can be performed by using a bath (usually used for ultrasonic cleaning) or with a high power probe, called an ultrasonic horn, which funnels and couples a piezoelectric element's energy into the water, concentrated at one (typically small) point. Sonochemistry can also be used to weld metals which are not normally feasible to join, or form novel alloys on a metal surface. This is distantly related to the method of calibrating ultrasonic cleaners using a sheet of aluminium foil and counting the holes. The holes formed are a result of microjet pitting resulting from cavitation near the surface, as mentioned previously. Due to the aluminium foil's thinness and weakness, the cavitation quickly results in fragmentation and destruction of the foil. A new generation of sonochemistry is harnessing the advantages of functional, ferroelectric materials, to further enhance chemistry in a sonochemical reactor in an emerging process called piezocatalysis.