超声化学的发展与应用

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1、超声化学的发展与应用【作　者】刘翠娟【机　构】佳木斯大学化学与药学院【刊　名】佳木斯大学学报(自然科学版)Vol.23No.2　2005年4月【文章编号】【分类号】【文献标志码】【关键词】【摘要】0、引　言  超声化学(Sonochemistry)是声学与化学相互交叉渗透而发展起来的一门新兴边缘学科，是声学与化学的前沿学科之一。超声化学主要是利用超声波加速化学反应提高化学产率的一门学科。利用超声波能够加速和控制化学反应、提高反应产率、改变反应历程和改善反应条件以及引发新的化学反应等。1、超声化学的发展史  1895年，Thormycroft和Barnaby观察

2、到潜水艇螺旋桨凹陷被侵蚀时发表了第一个关于空化的报告；  1927年，Loomis首次报道超声在化学和生物方面加快反应速率的效应；  1934年，发现超声能加大电解水的速率；  1944年，Harvery等引入了校正扩散的概念，即微气泡的成长是由于气泡振动过程中跨过界面非等量的传质引起的；  1950年，Noltingk和Neppiras对模拟空化气泡第一次用计算机进行了计算；  1964年，Flynn提出了“瞬态空化”和“稳态空化”的术语；  1980年，Neppiras首次在声空化的综述中使用了超声化学(sonochemistry)的术语；  1982年，

3、Milino等人用自旋捕获和电子自旋共振谱(ESR)验证了在水超声裂解中形成氢自由基和羟基自由基；  1986年4月8～11日，第一届国际声化学学术讨论会在英国Warwick大学召开，它标志着这门新兴的学科的诞生；  经过几年的研究和发展，于1991年声化学专著《PracticalSonochemistry》发行；  1992年，第一部声化学中文专著《声化学及其应用》已出版；  1994年第一个学术刊物《Ultrasonicssonochemistry》正式出版发行了。  2、超声波的作用机理  超声化学主要源于声空化—液体中空腔的形成、振荡、生长收缩及崩溃，

4、以及引发的物理和化学变化。液体声空化过程是集中声场能量并迅速释放的过程。空化泡崩溃时，在极短时间和空化泡的极小空间内，产生5000K以上的高温和大约5.05×10^8Pa的高压，速度变化率高达1010K/s，并伴随产生强烈的冲击波和时速高达400km的微射流，这就为在一般条件下难以实现或不能实现的化学反应，提供了一种新的非常特殊的物理环境，开启了新的化学反应通道。其现象包括两个方面，即强超声在液体中产生气泡和气泡在强超声作用下的特殊运动。在液体内施加超声场，当超声强度足够大时，会使液体中产生成群的气泡，成为“声空化泡”，这些气泡同时受到强超声的作用，在经历声的

5、稀疏相和压缩相时，气泡生长、收缩、再生长、再收缩，经过多次周期性振荡，最终以高速度崩裂。在其周期性振荡或崩裂过程中，会产生短暂的局部高温、高压、加热和冷却的速率大于1010Ks，并产生强电场，从而引发许多力学、热学、化学、生物等效应。反应体系的环境条件会极大地影响空化的强度，而空化强度则直接影响到反应的速率和产率。这些环境条件包括反应温度、液体的静压力、超声辐射频率、声功率和超声强度。另外，溶解气体的种类和数量、溶剂的选择、样品的制备以及缓冲剂的选择对空化强度也有很大影响。超声波可改变液体，固体发生化学反应的途径，它所产生的高温、高压可使声化学通过一条不同寻常

6、的途径来促进声能量和物质的相互作用。  超声波能量能加速和控制化学反应，提高反应产率和引发新的化学反应。超声作为一种特殊的能量作用形式，与热能、光能和离子辐射能有显著的区别。超声空化作用时间短，释放出高能量。例如，在高温条件下，有利于反应物种的裂解和自由基的形成，从而形成了更为活泼的反应物种，有利于二次反应的进行，提高了化学反应的速率。同时，气泡崩溃时产生的高压，一方面，有利于高压气相中的反应，另一方面，由于高压存在导致的冲击波和微射流现象，在固液体系中起到很好的冲击作用，特别是导致分子间强烈的相互碰撞和聚集，对固体表面形态、表面组成都有极为重要的作用。  总

7、之，超声对于化学反应的影响，并不是直接作用于分子，而是间接地影响化学反应。  3、超声化学的主要应用领域  目前，超声波的研究已涉及到化学、化工的各个领域，如有机合成、电化学、光化学、分析化学、无机化学、高分子材料、环境保护、生物化学等，我国的有关学者在超声化学的基础研究和应用研究方面也做了大量的工作。近年来，超声化学在物质合成、催化反应、水处理、废物降解、纳米材料等方面的研究已成为超声化学重要的应用研究领域。由于声能具有独特的优点，无二次污染、设备简单、应用面广，所以受到人们越来越多的关注，超声化学已成为一个蓬勃发展的应用研究领域。  3.1超声波在有机合成

8、中的应用  超声波首次应用于有机化学反