超声化学原理报告

超声化学原理报告目录超声化学原理报告 (1)一、超声学基本知识 (2)二、超声化学的基本原理 (4)1、空化作用 (4)2、自由基作用 (7)3、超临界氧化作用 (8)三、超声化学的效应 (9)1、化学效应 (9)2、机械效应 (9)3、热效应 (10)4、光效应 (10)【参考文献】 (11)超声化学（sonochemistry）是一门将超声学及超声波技术与化学紧密结合的崭新的科学[1]。

超声化学可以利用超声波加速和控制化学反应、提高化学产率、改变反应历程和改善反应条件以及引发新的化学反应。

故超声波技术作为一种物理手段和工具，将能量引入到分子中，不但可以改进化学反应条件，避免采用高温高压，缩短反应时间，提高反应产率和选择性，而且还可以改变反应的途径和方向，使一些在通常条件下本来不能或者难以进行的化学反应得以实现。

因此，为了更好的了解超声化学的基本原理，有必要对超声学的基本概念和理论有所了解，因此本文先简单介绍与超声化学有关的超声学基本知识，然后再介绍超声化学的基本原理，最后介绍超声化学的几种效应。

一、超声学基本知识最初，声学主要是研究人类听觉能够感觉到的声波，其频率在20Hz到20000Hz的范围内，现在已扩展到人类听觉以外的次声波（<20Hz）、20kHz-50MHz的超声波以及数百兆乃至数千兆赫的微波超声。

其中，超声化学所利用的超声波主要在20kHz-1MHz。

图1 声波按频率分类示意图声波是一种机械波，传播需要通过介质。

当声波通过含有微粒的介质时，就会引起声波的散射和辐射，从而影响声波的传播。

声波若在两种不同的介质中传播时，在介质间的界面处将会出现反射、折射和投射等现象，它们与声波的入射角有关。

除此之外，声波还随这传播距离的增加而逐渐衰减的物理现象，这是由于声波在介质内的传播过程中发生了将声能转化为热能的耗散过程，称之为声波的吸收。

声波通过介质时，介质的体积就会发生周期性变化。

因而，压强和温度也都会随之发生周期性变化。

声波传到原先静止的介质中，使得介质质点在平衡位置附近来回振动起来，在介质中产生压缩和膨胀。

也就是说，声波使介质具有振动动能和形变势能。

介质由于声波扰动所获得的声能量为振动动能和形变势能之和，随着声波在介质中的传播也伴随着能量传递的过程。

超声波是声波中的一小部分，因此，前面所讨论的一般性结论对超声波都是使用的。

但由于超声波的频率比通常所讲的声波频率要高得多，波长要短得多。

所以超声波具有一些它自己所特有的性质。

下面就超声波的一些特性进行讨论。

1、超声波与光波的相似性波长与频率之间的关系为：c=λf由此可知，当超声波在一定介质中传播时，频率越高，其波长越短，传播的距离也就越短；反之，频率越低，波长越长，传播的距离也就越长。

表1几种常见的物质中超声波的波长。

例如，对于频率为20-50kHz的超声波在介质中的波长大约在0.075-0.03m 的范围内，而更高频率（1-100MHz）的超声波在介质中的波长则约为0.005-0.00005m。

因此，超声波比普通的声波具有更好的束射性，波长愈短的超声波的这种向一定方向传播的特征就显著。

表1几种常见的物质中超声波的波长超声波与光波很相似，能够反射、折射和散射，也能进行聚焦，超声波同时也遵守几何光学定律。

一般来说，超声波的频率愈高，波长愈短，其性质和光波的性质就愈相似。

因此，在超声化学中可以像光化学一样，选择不同波长或频率的超声波来促进或激发不同的化学反应，提高化学反应速率、产率和选择性。

2、超声波的吸收特性由声波吸收系数的一般表达式可知：超声波比声波在介质中的吸收要大得多，因而，超声波比声波在介质中的传播距离则要短得多。

一般地，超声波在不同介质中的吸收大小次序是：在气相中吸收最强，液相中次之，固相中最弱。

例如，频率为1000kHz的超声波在空气中只要经过半米的距离，其强度就要减弱一半；若在水传播，要经过五百米的距离后，其强度才会减弱到原来的一半。

3、超声波的功率超声波在介质中传播时的平均声功率可以由下式进行计算,W=12ρCV2S=12P A V0S由此式可知，超声波具有比普通声波大得多的功率，这就是超声波在众多领域中能够获得广泛应用的重要原因之一。

当超声波到达某一介质中时，由于超声波的作用使得介质分子振动，而且其振动的频率和超声波的频率相同，介质分子振动的频率据决定了振动的速度，频率越高，速度就越大。

介质分子由于振动所获得的能量除了与介质分子的质量有关以外，还与介质分子的振动速度的平方成正比。

所以超声波的频率越高，介质分子所获得的能量越高。

超声波巨大的机械能量可以使介质的质点产生极大的加速度。

通常的声音通过水时，水分子所能获得的加速度仅为重力加速度的百分之几，这样小的加速度自然对水分子不会产生很大的影响。

然而，当超声波作用与水的时候，水分子所能获得的加速度可比重力加速度大几十万倍乃至几百万倍。

如此巨大的加速度能使水分子产生急速运动，以致破坏其分子结构，发生化学反应。

4、超声波的声压作用对于普通的声波，声压作用是很微弱的，一般情况下可以忽略不计。

然而对超声波来说，情况就完全不一样了。

由于超声波的波长交短、频率很好，它所具有的能量很大，可使介质的质点产生显著的声压作用（如图所示）。

例如，当在水中通过一般强度的超声波时，水中所产生的附加压力可以达到好几个千帕。

图2 超声波的声压作用二、超声化学的基本原理超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介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，而在超声化学反应中，空化作用被认为是主动力[3]。

1、空化作用（1）空化气泡的产生与溃陷超声波是一种机械波，需要能量载体——介质来进行传播，超声波在介质中的传播过程中存在一个正负压强的交变周期。

在正相位差时，超声波对介质分子挤压，改变了介质原来的密度，使其增大；而在负压相位时，使介质分子稀疏，进一步离散，介质的密度则减少。

当用足够大振幅的超声波来作用与液体介质时，在负压区内分子间的平均距离会超过液体介质保持不变的临界分子距离，液体介质就会发生断裂，形成微泡，微泡进一步长大成为空化气泡。

这些气泡一方面可以重新溶解于液体介质中，也可能上浮并消失；另一方面随着声场的变化而继续长大，直到负压达到最大值，在紧接着的压缩过程中，这些空化气泡被压缩，其体积缩小，有的甚至完全消失，当脱出超声场的共振相位时，空化气泡就不再稳定了，这时空化气泡内的压强已不能撑其自身的大小，即开始溃陷。

图3 空化气泡的产生与溃陷由于超声场是均匀的，在液体介质中间的空化气泡在溃陷过程中保持球形。

当液体介质中的微粒太小，而不能够紊挠超声场时，就会形成射流束，这时液体介质中的气泡也是球形溃陷的；当空化气泡靠近固体的界面处时，固体表面上的空化气泡则发生不对称溃陷，产生直射向固体表面的射流束。

由于溃陷气泡的大部分能量杯转化为射流束的动能，使得射流束的速度高达每小时400km。

也即射流束以近乎固体所能承受的力冲击固体表面，这样在固体的表面发生洗涤和腐蚀作用，这就是进行超声清洗、固液反应或催化反应的基础。

图4 空化气泡的溃陷（2）空化阈施加于液体中的声压需要高于一个最低幅值才能引起超声空化，这个最低幅值称为空化阈（cavitation）。

空化阈不仅取决于介质本身，而且取决于所施加的超声波，与很多因素有关，包括温度、压力、空化核半径、介质中气含量、声强、介质粘滞性、超声波频率等。

一般来说，介质温度高，空化阈低，易于发生超声空化。

但是，如果介质温度过高，大量介质挥发进入空化泡，导致空化气泡中的蒸气压较高，在气泡溃陷期间会增强缓冲作用，从而使空化效果减弱。

随着液体静压增大，空化阈增高，所以深水中空化比较困难。

液体中气含量高，容易形成大量的小气泡，在声波作用下成为空化核，因此空化阈低，易于空化。

这也是声化学中经常需要补充气体的原因。

一般地，声强高时容易空化，但过高的声强同样不利于空化，其原因较为复杂，至今没有公认的解释。

超声频率越高，空化阈越高，例如在15kHz时要求产生空化的声强只需0.16~2.6 W/cm2，而500kHz时所需声强为100~400 W/cm2（3）稳态空化与瞬态空化通常把空化作用分为稳态空化（stable cavitation）和瞬态空化（transient cavitation）。

稳态空化是指那些能在较低声强的作用下发生的，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震荡，在震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。

瞬态空化则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的作用下，被迅速压缩至溃陷。

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和凝聚却可自由进行。

对于瞬态空化泡，设其收缩过程是绝热过程，那么空化泡溃陷时泡内最高温度（T max）与最大压力为（P max）：T max=T min[P m(γ−1)P v]P max=P v[P m(γ−1)P v]γ/(γ−1)式中：T min取液体的环境温度；P m泡外作用与泡的总压力P v空化泡内的压力γ为气体的比热比理论估算及对超声化学反应速度的实验表明，瞬间空化气泡辉县时，形成局部热点（hot spot），其温度可以达5000K以上（相当于太阳表面温度），温度变化率达到109K/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）。

对于稳态空化泡的溃陷过程，也可向瞬态空化泡一样推算出溃陷瞬间气泡内的最高温度。

空化气泡溃陷过程之所以能够产生高温高压，主要是由于空化气泡的压缩过程非常迅速，Rayleigh[4]已推算出空化气泡压缩的时间（τ）τ=0.915R max(ρ/P0 )1 2式中Rmax为空化气泡膨胀到最大时的半径。

例如，在大气的压力下，水中直径为1×10-4m的空化气泡的溃陷时间约为5×109s，比超声波的周期小得多。

如此迅速的溃陷过程使得空气泡的能量来不及传递到液体介质中去，所以周围的大量液体不能被马上加热，这就好像是一滴熔融的金属液滴溅到一个冷却的大表面上一样，在此被称为热点的区域，瞬间形成只有太阳表面才能够得到的异常高的温度；同时，溃陷气泡周围的液壁将气泡内所含物质压缩到~107N/m2。

在此具有高温高压的局部可以看作一个“微反应器”。

总之，无论是稳态空化泡还是瞬态空化泡，在溃陷的瞬间气泡内产生极高的温度和巨大的压力和冲击波，正是由于在空化气泡内有如此的高温的存在，形成了自由基产生和声致发光等解释的基础。