新兴的交叉学科声化学：声学和化学的交叉渗透
声学既是一门经典学科，又是一门“常为新”的学科。从经典声学到现代声学，声学始终是最具生命力的学科之一，表现为其内涵不断深化、外延不断扩大，与其他学科相互渗透，不断拓展新的应用领域。本文将为大家简单介绍一下新兴的交叉学科：声化学 。1、声化学的定义
声化学(Sonochemistry)主要是指利用超声波加速化学反应，提高化学产率的一门新兴的交叉学科。
1986年4月8-11日，第一届国际化学学术讨论会在英国Warweck大学召开，它标志着一门新的交叉学科：声化学的诞生。
声化学反应不是来自声波与物质分子间的直接相互作用，因为在液体中常用的声波波长为10cm～0.015cm(对应频率15kHz～10MHz)，远大于分子尺度。声化学反应主要源于声空化——液体中空腔的形成、振荡、生长、收缩至崩溃，及其引发的物理、化学变化。
液体声空化的过程是集中声场能量并迅即释放的过程。空化泡崩溃时，在极短时间内和在空化泡周围的极小空间内，产生5000K以上的高温和大约5×107Pa的高压，温度变化率高达109K/s，并伴生强烈的冲击波和(或)时速达400km的射流，这就为在一般条件下难以实现或不可能实现的化学反应，提供了一种新的非常特殊的物理环境，启开了新的化学反应信道。所以，有的文献上也称声化学为超声波化学或高能化学。
化学，归根到底是一门能量与物质相互作用的科学。著名的美国声化学家K.Suslick就是从这一观点出发，给出了声化学与其它化学分支的比较，见图1所示。图中的三个轴分别为作用时间(s)、压力(1.013×l05Pa)及每个分子获得的能量(eV)。可见，在声致化学反应中，作用时间接近于光化学，压力则可与高压化学相比，能量范围类似于火焰化学，但比火焰化学要大。
图1 从能量与物质作用观点比较化学各个分支
2、声致化学反应的主动力
声化学反应是声致化学效应的结果，声致化学效应是声致效应的一种。声致效应是通过声波与传声媒质相互作用来实现的。一般把这种相互作用机制归结为力学的、热学的及空化的三种，而在声化学反应中，声空化机制被认为是主动力。
通常把声空化分为稳态空化(stablecavitation)和瞬态空化(transientcavitation)。
稳态空化是指那些在较低声强作用下即可发生的，内含气体与蒸汽的空化泡行为。稳态空化泡表现为持续的非线性振荡，在振荡过程中气泡定向扩大，当扩大到使其自身共振频率与声波频率相等时，发生声场与气泡的最大能量耦合，产生明显的空化效应。
瞬态空化在较大的声强下发生，而且它大都发生在一个声波周期内。在声波负压相中，空化泡迅速扩大，随之则在声波正压相作用下，被迅速压缩至崩溃。在瞬态空化泡存在的时间内，不发生气体通过泡壁的质量转移，而在泡内壁上的液体蒸发与凝聚却可自由进行。
假设瞬态空化泡的收缩(直到崩溃)过程是绝热过程，有关理论研究给出了空化泡崩溃时泡内的最高温度(Tmax与最大压力(Pmax)：
式中Pg是起始半径为R0的空化泡内的气体压力，PK=P0+Pa为空化泡崩溃过程中受到的总压力(如前所述，近似为常数)。一般地，Tmin取环境温度，Pg取液体的蒸气压Pv(因为瞬态空化泡在增长过程中不伴随发生气体向泡内的转移)。
理论估算及对声化学反应速度的实验研究表明，瞬态空化泡崩溃时，形成局部热点(hotspot)，其温度(Tmax)可达5000K以上(相当于太阳表面温度)，温度变化率达10^9K/s，压力可高达数百乃至上千个大气压(相当于大洋深海沟处的压力)。
瞬态空化伴随发生的高温可导致自由基(freeradical)的形成及声致发光(sonoluminescence)的发射;而高压的释放，将在液体中形成强大的冲击波(均相)或高速(>110m/s)射流(非均相)。瞬态空化正是以这种特殊的能量形式来加速化学反应，启通新的反应信道的。
3、声致化学反应类型与机制
声化学反应可概括为如下三种类型：均相反应、有固/液交界面参与的非均相反应、有液/液交界面参与的非均相反应。
(1) 均相反应
在实际声空化发生的情况下，空化泡在声波负压相内形成，来自其周围溶剂或易挥发的试剂蒸气遂进入其中。当空化泡在下一个声波正压相发生崩溃时，泡内蒸汽被剧烈地绝热压缩，从而产生异乎寻常的高温高压，在这种极端条件下，溶剂和(或)试剂的结构被破坏，随之产生具有反应活性的自由基或碳烃。如果声辐照的是水媒质，那么空化泡崩溃时形成的特殊条件足以使O-H键断裂，形成自由基，并进而形成氧与过氧化氢。反应如下：
溶于水中的任何试剂，都可能与声空化产生的活性自由基和(或)过氧化氢进行反应。如水媒质中溶有碘化物，碘元素即会释放出来。
有固/液交界面参与的非均相反应
在这类反应中，固相本身或只作为催化剂，或是反应物参与反应过程且在反应过程中被不断消耗。
声空化加速这类反应的机制：空化泡崩溃时产生的冲击波腐蚀金属表面，用电子显微镜观察发现，经超声处理的金属表面呈许多蚀坑，类似于月球表面上的陨石坑。这些蚀坑的出现，不断地把新鲜表面暴露给试剂，如金属为粉末状，则空化使其颗粒不断变小，增大了参与反应的有效面积。
有液/液交界面参与的非均相反应
在含水有机混合液中，只有在交界区域内，溶于不同相的试剂之间才可能发生反应。在这种情况下，合成化学家们总是要使用相转移催化剂(PTC)，使试剂从一相转移到另一相中。但使用PTC有两大缺点，其一是PTC本身价格昂贵，其二是PTC本身还隐含危险性。由于PTC固有的性质，它会将化学试剂催化转移到人体组织中，因此人们不得不致力于另寻他途。
事实表明，使用功率超声处理，不仅能增强反应活性，甚至可能完全避免使用PTC。超声处理可产生特别精细的乳状液，其结果是使两种液体的交界面大为增加，从而使溶于不同液体中的试剂间的反应活性急剧增大。
此外，超声处理还有一个特点，就是它可以使被处理的乳液不断地受到机械扰动，从而亦增加不同相之间的转移。这类反应在工业上一个成功的应用范例是对各种油、脂和腊的超声水解反应。而且反应可以在较低温度下进行，从而可以获得较为洁净的产品。
总之，目前功率超声在化学上正在取得越来越多的应用，在每一具体的应用中，可以指望获得下列的一项或多项益处，即：
· 加速反应或软化发生反应的苛刻条件
· 增大催化效率
· 降低化学试剂的等级要求
· 引发反应或缩短诱导时间
· 使用通常方法而减少反应步骤
本文相关内容摘录自百度文库PPT讲义《声学新技术》，原文未标注作者，故本文也未能标识作者，还望见谅。
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