ВВЕДЕНИЕ

Для интенсификации технологических процессов применяют различные физические факторы воздействия, в частности акустические колебания. Изучением взаимодействия мощных акустических волн с веществом и возникающих при этом химических и физико-химических эффектов занимается звукохимия.

Изначально вопросы такого рода относились к одному из разделов акустики, однако со временем данный раздел настолько разросся, что стал самостоятельной областью науки, из которого в свою очередь, выделились молекулярная акустика и квантовая акустика.

Молекулярная акустика изучает взаимодействие слабых акустических волн с веществом, которое обычно не приводит к химическим реакциям в среде.

Взаимодействие звуковых квантов – фононов – друг с другом, с ядрами атомов и с электронами является объектом исследования квантовой акустики.

Акустические колебания с частотой выше 20 кГц условно принято называть ультразвуковыми, от 15 Гц до 20 кГц – звуковыми, а ниже 15 Гц – инфразвуковыми.

В молекулярной акустике используют гиперзвуковые колебания с частотой выше 1 гГц, однако, в звукохимии их не применяют.

Химическое действие акустических колебаний отличается большим разнообразием. Звуковые и ультразвуковые волны могут ускорять некоторые химические реакции за счет:

- эмульгирования некоторых жидких компонентов;

- диспергирования твердых компонентов реакции или катализаторов;

- дегазации, предотвращения осаждения или коагуляции продуктов реакции;

- интенсивного перемешивания и т.д.

Но действие ультразвука, например, на катализаторы нельзя сводить только к тривиальному диспергированию. При определенных условиях обнаруживается повышение активности катализаторов; природа этих эффектов пока недостаточно ясна.

Одной из основных задач звукохимии является исследование химических реакций, возникающих под действием акустических колебаний (звукохимических реакций), которые в отсутствии акустических волн не идут, или идут, но медленно. Поэтому главное внимание уделяется звукохимическим реакциям.

О РАЗВИТИИ ЗВУКОХИМИИ

Зарождение и развитие звукохимии было подготовлено обширными исследованиями по акустике и химической кинетике.

В 1927 году Ричардс и Лумис обнаружили, что под воздействием ультразвука в водном растворе выделяется молекулярный иод.

Это открытие стало отправной точкой для экспериментальных поисков новых звукохимических реакций.

В 1933 году Бойте показал, что при действии ультразвука на воду, в которой растворен азот, образуются азотистая кислота и аммиак.

Маргулисом, Сокольской и Эльпинером (1964 год) были осуществлены звукохимические реакции стереоизомеризации малеиновой кислоты и ее эфиров в фумаровую, которые идут по цепному механизму.

К настоящему времени опубликовано много работ по звукохимическим реакциям. Примеры звукохимических реакций показаны в таблице 1. В этой таблице также приведены величины энергетических выходов звукохимических реакций (число молекул продукта, образовавшихся при затрате 100 эВ химико-акустической энергии. Из таблицы видно, что в случае окислительно-восстановительных реакций энергетический выход составляет несколько молекул, а для цепных реакций достигает тысячи молекул.

Таблица 1

Звукохимические реакции

КЛАССИФИКАЦИЯ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ РЕАКЦИЙ

Необходимость классификации ультразвуковых колебаний очевидна. Известно два типа химического действия акустических колебаний. Отсюда выделяют два типа ультразвуковых реакций. К первому относятся реакции, которые ускоряются в ультразвуковом поле, но могут протекать и в его отсутствие с меньшей скоростью. К этой группе эффектов можно отнести ускорение гидролиза диметилсульфата и персульфата калия, разложение диазосоединений, ускорение эмульсионной полимеризации, окисление альдегидов, изменение активности катализаторов, например, катализаторов Циглера в процессе полимеризации.

Ко второй группе эффектов относятся реакции, которые без воздействия ультразвуковых колебаний не протекают совсем. Реакции этого типа в зависимости от механизма первичных и вторичных элементарных процессов, можно разделить на следующие шесть классов:

1) Окислительно-восстановительные реакции, которые идут в жидкой фазе между растворенными веществами и продуктами ультразвукового расщепления воды, возникающими в кавитационных пузырьках и переходящими в раствор после их схлопывания;

2) Реакции между растворенными газами и веществами с высокой упругостью пара внутри кавитационных пузырьков (эти реакции не могут осуществляться в растворе при воздействии радикальных продуктов расщепления воды);

3) Цепные реакции в растворе, которые индуцируются не радикальными продуктами расщепления, а каким либо другим веществом, присутствующим в системе и расщепляющимся в кавитационной полости;

4) Реакции с участием макромолекул, например, деструкция молекул полимера и инициированная его полимеризации, которые могут идти и при отсутствии кавитации. В этом случае значительную роль могут играть высокие градиенты скоростей и ускорения, возникающие под действием ультразвука, микропотоки;

5) Инициирование взрыва в жидких или твердых взрывчатых веществах. Для этих процессов весьма важно возникновение ударных волн и высокиих температур при схлопывании кавитационных пузырьков, а также возможных кумулятивных струй;

6) Звукохимические реакции в неводных средах. Примерами таких реакций могут служить:

- отщепление тетрахлоридом углерода под действием ультразвука хлора.

- Также ультразвуковые волны в безводной среде инициируют многие реакци с участием кремнийорганических соединений. Алкилсилоксаны взаимодействуют в ультразвуковом поле с хлористым тионилом:

Например, если R – CH3, за два часа воздействия ультразвука образуется 27.5 % (CH3)3SiCl.