Sonochimie - Sonochemistry

En chimie , l'étude de la sonochimie concerne la compréhension de l'effet des ultrasons dans la formation de la cavitation acoustique dans les liquides, entraînant l'initiation ou l'amélioration de l'activité chimique dans la solution. Par conséquent, les effets chimiques des ultrasons ne proviennent pas d'une interaction directe de l'onde sonore ultrasonore avec les molécules de la solution.

L'histoire

L'influence des ondes sonores traversant les liquides a été rapportée pour la première fois par Robert Williams Wood (1868–1955) et Alfred Lee Loomis (1887–1975) en 1927. L'expérience portait sur la fréquence de l'énergie nécessaire pour que les ondes soniques «pénètrent» "la barrière de l'eau. Il est arrivé à la conclusion que le son voyage plus vite dans l'eau, mais en raison de la densité de l'eau par rapport à l'atmosphère terrestre, il était incroyablement difficile d'amener les ondes sonores à coupler leur énergie à l'eau. En raison du changement soudain de densité, une grande partie de l'énergie est perdue, comme pour faire briller une lampe de poche vers un morceau de verre; une partie de la lumière est transmise dans le verre, mais une grande partie est perdue par réflexion vers l'extérieur. De même avec une interface air-eau, presque tout le son est réfléchi sur l'eau, au lieu d'être transmis dans celle-ci. Après de nombreuses recherches, ils ont décidé que la meilleure façon de disperser le son dans l'eau était de faire des bruits forts dans l'eau en créant des bulles qui étaient produites en même temps que le son. L'un des moyens les plus faciles de mettre du son dans l'eau était de simplement crier. Un autre problème était le rapport entre le temps nécessaire aux ondes de basse fréquence pour pénétrer dans les parois des bulles et accéder à l'eau autour de la bulle, par rapport au temps écoulé entre ce point et le point situé à l'autre extrémité de la masse d'eau. Mais malgré les idées révolutionnaires de cet article, il est resté presque inaperçu. La sonochimie a connu une renaissance dans les années 1980 avec l'avènement de générateurs peu coûteux et fiables d'ultrasons de haute intensité, la plupart basés sur des éléments piézoélectriques.

Principes physiques

Les ondes sonores se propageant à travers un liquide à des fréquences ultrasonores ont des longueurs d'onde plusieurs fois plus longues que les dimensions moléculaires ou la longueur de liaison entre les atomes de la molécule. Par conséquent, l'onde sonore ne peut pas affecter directement l'énergie vibrationnelle de la liaison, et ne peut donc pas augmenter directement l'énergie interne d'une molécule. Au lieu de cela, la sonochimie provient de la cavitation acoustique : la formation, la croissance et l'effondrement implosif de bulles dans un liquide. L'effondrement de ces bulles est un processus presque adiabatique , entraînant ainsi une accumulation massive d'énergie à l'intérieur de la bulle, entraînant des températures et des pressions extrêmement élevées dans une région microscopique du liquide soniqué. Les températures et pressions élevées entraînent une excitation chimique de toute matière à l'intérieur ou très près de la bulle lorsqu'elle implose rapidement. Une grande variété de résultats peut résulter de la cavitation acoustique, y compris la sonoluminescence, une activité chimique accrue dans la solution en raison de la formation de réactions radicalaires primaires et secondaires, et une activité chimique accrue par la formation de nouvelles espèces chimiques relativement stables qui peuvent se diffuser plus loin dans le solution pour créer des effets chimiques (par exemple, la formation de peroxyde d'hydrogène à partir de la combinaison de deux radicaux hydroxyles suite à la dissociation de la vapeur d'eau dans des bulles qui s'effondrent lorsque l'eau est exposée aux ultrasons).

Lors de l'irradiation avec un son de haute intensité ou des ultrasons, une cavitation acoustique se produit généralement. La cavitation - la formation, la croissance et l'effondrement implosif de bulles irradiées par le son - est le moteur de la sonochimie et de la sonoluminescence. L'effondrement des bulles dans les liquides produit d'énormes quantités d'énergie à partir de la conversion de l'énergie cinétique du mouvement du liquide en chauffant le contenu de la bulle. La compression des bulles lors de la cavitation est plus rapide que le transport thermique, ce qui génère un point chaud localisé de courte durée. Les résultats expérimentaux ont montré que ces bulles ont des températures d'environ 5000 K, des pressions d'environ 1000 atm et des vitesses de chauffage et de refroidissement supérieures à 10 10 K / s. Ces cavitations peuvent créer des conditions physiques et chimiques extrêmes dans des liquides par ailleurs froids.

Avec des liquides contenant des solides, des phénomènes similaires peuvent se produire lors d'une exposition aux ultrasons. Une fois que la cavitation se produit près d'une surface solide étendue, l'effondrement de la cavité n'est pas sphérique et entraîne des jets de liquide à grande vitesse vers la surface. Ces jets et les ondes de choc associées peuvent endommager la surface désormais très chauffée. Les suspensions liquide-poudre produisent des collisions interparticulaires à grande vitesse. Ces collisions peuvent modifier la morphologie, la composition et la réactivité de la surface.

Réactions sonochimiques

Il existe trois classes de réactions sonochimiques: la sonochimie homogène des liquides, la sonochimie hétérogène des systèmes liquide-liquide ou solide-liquide, et, en chevauchant ce qui précède, la sonocatalyse (la catalyse ou l'augmentation de la vitesse d'une réaction chimique aux ultrasons). La sonoluminescence est une conséquence des mêmes phénomènes de cavitation qui sont responsables d'une sonochimie homogène. L'amélioration chimique des réactions par ultrasons a été explorée et a des applications bénéfiques dans la synthèse en phase mixte, la chimie des matériaux et les utilisations biomédicales. Comme la cavitation ne peut se produire que dans les liquides, les réactions chimiques ne sont pas observées dans l'irradiation par ultrasons des solides ou des systèmes solide-gaz.

Par exemple, dans la cinétique chimique , il a été observé que les ultrasons peuvent considérablement augmenter la réactivité chimique dans un certain nombre de systèmes jusqu'à un million de fois; agissant efficacement pour activer des catalyseurs hétérogènes. De plus, dans les réactions aux interfaces liquide-solide, les ultrasons décomposent les morceaux solides et exposent les surfaces propres actives par piqûres de micro-jets provenant de la cavitation près des surfaces et de la fragmentation des solides par effondrement par cavitation à proximité. Cela donne au réactif solide une plus grande surface de surfaces actives pour que la réaction se poursuive, augmentant la vitesse de réaction observée.,

Alors que l'application des ultrasons génère souvent des mélanges de produits, un article publié en 2007 dans la revue Nature décrit l'utilisation des ultrasons pour affecter sélectivement une certaine réaction d'ouverture du cycle cyclobutane . Atul Kumar a rapporté la synthèse d'ester de Hantzsch par réaction à plusieurs composants dans des micelles aqueuses à l'aide d'ultrasons.

Certains polluants de l'eau, en particulier les composés organiques chlorés, peuvent être détruits par sonochimie.

La sonochimie peut être réalisée en utilisant un bain (généralement utilisé pour le nettoyage par ultrasons ) ou avec une sonde à haute puissance, appelée corne à ultrasons , qui canalise et couple l'énergie d'un élément piézoélectrique dans l'eau, concentrée en un (généralement petit) point.

La sonochimie peut également être utilisée pour souder des métaux qui ne peuvent normalement pas être assemblés ou pour former de nouveaux alliages sur une surface métallique. Ceci est lointainement lié à la méthode de calibrage des nettoyeurs à ultrasons à l'aide d'une feuille de papier d'aluminium et de comptage des trous. Les trous formés sont le résultat de piqûres de micro-jets résultant d'une cavitation à proximité de la surface, comme mentionné précédemment. En raison de la finesse et de la faiblesse de la feuille d'aluminium, la cavitation entraîne rapidement une fragmentation et une destruction de la feuille.

Voir également

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