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聲化學(xué)的奇妙之處
聲化學(xué)是指利用超聲波 (ultrosound,縮寫US)加速化學(xué)反應(yīng)或啟動新的反應(yīng)通道，以提高化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)率或獲得新的化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)物。
聲化學(xué)效應(yīng)的實(shí)質(zhì)是空化效應(yīng)，包括氣核的出現(xiàn)、微泡的長大和微泡的爆裂3步 。在機(jī)械波作用下 ，流體產(chǎn)生急劇的運(yùn)動，由于機(jī)械波的變化，使溶劑受到壓縮和稀疏作用，在機(jī)械波的稀疏相區(qū)，氣泡泡膨脹長大，并為周圍的液體蒸氣或氣體充滿。在壓縮相區(qū)，氣穴很快塌陷、破裂，產(chǎn)生大量微泡 ，它們又可以作為新的氣核。當(dāng)前認(rèn)為，機(jī)械波對化學(xué)反應(yīng)的影響，其主要原因就是這些微泡在長大以致突然破裂時能產(chǎn)生很強(qiáng)的沖擊波。據(jù)估算，在微泡爆裂時，可以在局部空間內(nèi)產(chǎn)生高達(dá)兆帕的壓力 ，中心溫度可達(dá) 3000～5000K ，對機(jī)械波場作用的解釋，尚未進(jìn)入分子水平，而是停留在對分子群體的機(jī)械作用機(jī)制的水平上。例如，對固體表面的氣蝕與潔凈作用；不混溶液體的乳化作用；微泡爆裂時，沖擊波在微空間導(dǎo)致的高溫高壓對傳質(zhì)和傳能的影響。
那么，什么是聲音與物質(zhì)的相互作用呢? 嚴(yán)格地講，是指聲波和物質(zhì)發(fā)生機(jī)械的或者是化學(xué)的相互作用。早在20世紀(jì)60年代以前，學(xué)界就已經(jīng)對聲波和物質(zhì)發(fā)生的機(jī)械作用進(jìn)行過深入研究，研究成果也已經(jīng)被廣泛應(yīng)用。比如，超聲醫(yī)學(xué)成像、超聲無損檢測、聲吶系統(tǒng)都可被視為聲波和物質(zhì)(媒質(zhì))發(fā)生物理作用。而聲波與物質(zhì)又是如何發(fā)生化學(xué)作用的呢?原來，在固體和氣體中，聲波不會與媒質(zhì)發(fā)生化學(xué)作用，而在液體中(可以是常見的水，也可以是有機(jī)液體如烴類、醇類、羚酸類等)，由于聲音傳播的非線性效應(yīng)，可以和媒質(zhì)發(fā)生化學(xué)作用，這其中的科學(xué)機(jī)制就是被廣泛研究的聲波在液體中的“空化效應(yīng)"
空化效應(yīng): 聲音與物質(zhì)的“化學(xué)反應(yīng)"
在當(dāng)代英國聲學(xué)家楊的專著《空化效應(yīng)》一書的引言中，楊回顧了空化效應(yīng)被發(fā)現(xiàn)的歷史，他認(rèn)為其研究歷程最早可以追湖至牛頓時代。生頓在研究光學(xué)時意外發(fā)現(xiàn)了液體中的小氣泡的運(yùn)動一在外壓作用下體積的變化，而這正是空化效應(yīng)所涉及的核心問題。
但是，空化效應(yīng)真正被重視并開始廣泛研究則始于1876年。那一年，英國海jun的一艘高速驅(qū)逐艦下水試航，但是不久就航速下降，航行噪聲增加。工程師對船的螺旋獎進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)原本光滑的螺旋獎表面出現(xiàn)了大面積被腐蝕的凹點(diǎn)，工程師們不得其解，只好求教著名的力學(xué)家瑞利。瑞利經(jīng)過長達(dá)10余年的研究才發(fā)現(xiàn)，螺旋獎表面被腐蝕不是由于海水的化學(xué)腐蝕，而是物理機(jī)制，水力空化效應(yīng)是元兇。原來，在螺旋槳快速旋轉(zhuǎn)時，在海水中可以形成壓力波，在壓力小的區(qū)域，海水中的溶解氣體(主要是空氣)析出，形成小氣泡。這些氣泡的直徑不等，較大的為毫米量級，最小的則是納米尺度。在壓力大的區(qū)域，這些氣泡被快速壓縮，氣泡發(fā)生非對稱變形，從而形成一個錐形的射流束直接沖擊螺旋獎表面。由于氣泡的壓縮過程極短，在納秒和微秒之間，所以，錐形射流束的速度ji高，一般在4~5千米/秒。如此高速的水束沖擊金屬表面，其形成的壓強(qiáng)不低于10萬個大氣壓，任何已知的材料在如此巨大的壓強(qiáng)下都會被粉碎，金屬螺旋獎表面就是被空化效應(yīng)的錐形射流束沖擊腐蝕的。
直到1911年，瑞利才建立了描述空化效應(yīng)動力學(xué)過程的著名方程一瑞利方程。通過對這個積分方程的近似解，可以求出空化效應(yīng)終止后空化泡內(nèi)的溫度不低于3 000開爾文(約2 725.85C)。如此高溫足以導(dǎo)致液體媒質(zhì)和空化泡內(nèi)的物質(zhì)發(fā)生高溫裂解，從而引發(fā)一系列的自由基反應(yīng)。所以，空化效應(yīng)可以直接在液體媒質(zhì)中引發(fā)化學(xué)反應(yīng)。與這些化學(xué)反應(yīng)相關(guān)的一門學(xué)科便被稱為聲化學(xué)。
超聲化學(xué)反應(yīng)可按介質(zhì)劃分為兩大類：①水相中的聲化學(xué)。在超聲作用下，水分解為氫氧自由基和氫原子，由此可誘發(fā)出一系列化學(xué)反應(yīng) 。有機(jī)鹵化物 ，如CH2Cl2 、CHCl3及CCl4在水介質(zhì)中接受超聲作用，使碳?xì)滏I斷裂，生成自由基。對蛋白質(zhì)、酶等生物分子的聲化學(xué)研究表明，聲致氧化還原作用是導(dǎo)致很多簡單產(chǎn)物的主要機(jī)制，例如：②非水液相中的聲化學(xué)。在該領(lǐng)域的研究工作尚處在起步階段。研究主要集中在以下幾個方面：均相合成反應(yīng)；金屬表面上的有機(jī)反應(yīng)；相轉(zhuǎn)移反應(yīng)；固液兩相界面反應(yīng)；聚合及高分子解聚反應(yīng)。
總之，聲學(xué)是一門與人類的生活、文明和生產(chǎn)息息相關(guān)的學(xué)科，必將在今后的科技發(fā)展中發(fā)揮更大的作用。