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1、选修课论文封面xxxxxxxx大学选修课程结业论文课程名称xxxxxxxxxX任课老师xxxx学院xxxxxx班级xxxxxxx姓名xxxx学号xxxxxxxO引言超声化学(Sonochemistry)是声学与化学互相穿插浸透而发展起来的l-I新兴边缘学科，是声学与化学的前沿学科之一。超声化学主要是利用超声波加速化学反响提高化学产率的一门学科。利用超声波能够加速和控制化学反响、提高反响产率、改变反响历程和改善反响条件以及引发新的化学反响等。1超声化学的发展史1895年，qlaormycmft和Bamaby观察到潜水艇螺旋桨凹陷被侵蚀时发表了第一个关于空化的报告；1927年，loomis初次报道
2、超声在化学和生物方面加快反响速率的效应；1934年，发现超声能加大电解水的速率；1944年，Harvery等引入了校正扩散的概念，即微气泡的成长是由于气泡振动经过中跨过界面非等量的传质引起的；1950年，Noltingk和Neppiras对模拟空化气泡第一次用计算机进行了计算；1964年，Flyrm提出了“瞬态空化和“稳态空化的术语；1980年，Neppiras初次在声空化的综述中使用了超声化学(sonochemistry)的术语；1982年，Milino等人用自旋捕获和电子自旋共振谱(ESR)验证了在水超声裂解中构成氢自由基和羟基自由基；1986年4月811日，第一届国际声化学学术讨论会在英
3、国Warwick大学召开，它标志着这门新兴的学科的诞生；经过几年的研究和发展，于1991年声化学专著(PracticalSonochemistry)发行；1992年，第一部声化学中文专著（声化学及其应用）已出版；1994年第一个学术刊物(Ultrasonicssonoehemistry)JE式出版发行了。2超声波的作用机理超声化学主要源于声空化一液体中空腔的构成、振荡、生长收缩及崩溃，以及引发的物理和化学变化。液体声空化经过是集中声场能量并迅速释放的经过。空化泡崩溃时，在极短时间和空化泡的极小空间内，产生5000K以上的高温和大约5.05108Pa的高压，速度变化率高达1010Ks，并伴随产生
4、强烈的冲击波和时速高达400km的微射流，这就为在一般条件下难以实现或不能实现的化学反响，提供了一种新的非常特殊的物理环境，开启了新的化学反响通道。其现象包括两个方面，即强超声在液体中产生气泡和气泡在强超声作用下的特殊运动。在液体内施加超声场，当超声强度足够大时，会使液体中产生成群的气泡，成为“声空化泡，这些气泡同时遭到强超声的作用，在经历声的稀疏相和压缩相时，气泡生长、收缩、再生长、再收缩，经太多次周期性振荡，最终以高速度崩裂。在其周期性振荡或崩裂经过中，会产生短暂的局部高温、高压、加热和冷却的速率大于1010Ks，并产生强电场，进而引发很多力学、热学、化学、生物等效应。反响体系的环境条件会
5、极大地影响空化的强度，而空化强度则直接影响到反响的速率和产率。这些环境条件包括反响温度、液体的静压力、超声辐射频率、声功率和超声强度。另外，溶解气体的种类和数量、溶剂的选择、样品的制备以及缓冲剂的选择对空化强度也有很大影响。超声波可改变液体，固体发生化学反响的途径，它所产生的高温、高压可使声化学通过一条不同寻常的途径来促进声能量和物质的互相作用。超声波能量能加速和控制化学反响，提高反响产率和引发新的化学反响。超声作为一种特殊的能量作用形式，与热能、光能和离子辐射能有显著的区别。超声空化作用时间短，释放出高能量。例如，在高温条件下，有利于反响物种的裂解和自由基的构成，进而构成了更为活泼的反响物种
6、，有利于二次反响的进行，提高了化学反响的速率。同时，气泡崩溃时产生的高压，一方面，有利于高压气相中的反响，另一方面，由于高压存在导致的冲击波和微射流现象，在固液体系中起到很好的冲击作用，十分是导致分子间强烈的互相碰撞和聚集，对固体外表形态、外表组成都有极为重要的作用。总之，超声对于化学反响的影响，并不是直接作用于分子，而是间接地影响化学反响。3超声化学的主要应用领域目前，超声波的研究已涉及到化学、化工的各个领域，如有机合成、电化学、光化学、分析化学、无机化学、高分子材料、环境保护、生物化学等，我国的有关学者在超声化学的基础研究和应用研究方面也做了大量的工作，近年来，超声化学在物质合成、催化反响
7、、水处理、废物降解、纳米材料等方面的研究已成为超声化学重要的应用研究领域。由于声能具有独特的优点，无二次污染、设备简单、应用面广，所以遭到人们越来越多的关注，超声化学已成为一个蓬勃发展的应用研究领域。31超声波在有机合成中的应用超声波初次应用于有机化学反响的报道是在1938年。80年代以来，随着声化学的发展，超声波在有机合成中的应用研究呈蓬勃发展之势，已被广泛应用于氧化反响、复原反响、加成反响、取代反响、缩合反响、水解反响等，几乎涉及有机化学的各个领域。第一部声化学应用于有机合成方面的专著（Syntheticorganicsonochemistry）已于1998年发行。超声波在有机合成中的应用
8、是非常广泛的。例如，对羟基苯甲醛在传统的制备方法中收率为58，而在超声波作用下，收率为94；超声波对液一液多相的影响，主要是空化作用在两相界面体现的宏观效果，类似又好过相转移催化剂的作用；超声波还能够使一些难以进行的化学反响得以实现，例如，AthertonTodd反响是亚磷酸酯在碱存在下于cc14溶剂中对胺进行磷酰化，肟和亚胺也能在该条件下进行磷酰化，然而醇却不能进行，在超声波辐射下，醇也能很顺利进行磷酰化，收率8692。另外，超声波辐射能加速各种有机均相及异相反响，十分是金属介入的反响。例如，在芳香族羰基化合物复原偶联成邻二叔醇的反响的传统方法中，反响不仅不易进行，操作费事，而且需用过量的金
9、属或复原剂，易引起环境和生物化学问题。铟在水中有很强的稳定性，在超声波作用下于水溶液中，以铟为复原剂，由芳香醛复原偶合制备邻二叔醇得到很好效果。又如，以苯甲醛为底物反响8h，收率70.3，在无超声波作用下反响48h，收率才20。利用超声波对催化剂PtAl2O3预辐射之后，催化氢化三氟甲基酮，主要产物是R一醇。对于1，1，1一三氟苯乙酮，经超声波辐射催化剂10min，于邻二氯苯中400时氢化20min，e，e一异构体的产率由20提高到49，与未经超声波预处理催化剂相比，氢化率提高了1。11。2倍。可见，在超声波作用下，可得到高选择性的产物。近几年来，超声波在有机合成方面获得了很多新进展，不仅改进
10、了一些已知反响，而且发现了新反响。十分应该重视的是近来已有一些专利报道，随着超声设备的改良与完善，已应用于化工生产。3.2超声波在催化化学研究中的应用催化反响包括均相催化反响和多相催化反响。在反响中，怎样使催化剂活化以及长时间地保持催化剂的活性，一直是一个亟待解决的难题。利用超声的空化作用以及在溶液中构成的冲击波和微射流，可提高很多化学反响的反响速度，改善目的产物的选择性，改善催化剂的外表形态，大幅度地提高其活化反响性，提高催化活性组分在载体上的分散性等。研究表明，超声催化能在低温下保持基质的热敏性并增加选择性，得到在光解和普通热解情况下不易得到的高能物种并实现微观水平上的高温高压条件。超声波
11、对催化反响的作用主要是：(1)高温高压条件有利于反响物裂解成自由基和二价碳，构成更为活泼的反响物种；(2)冲击波和微射流对固体外表(如催化剂)有解吸和清洗作用，可去除外表反响产物或中间物及催化剂外表钝化层；(3)冲击波可能毁坏反响物构造；(4)分散反响物系；(5)超声空蚀金属外表，冲击波导致金属晶格的变形和内部应变区的构成，提高金属的化学反响活性；(6)促使溶剂深化到固体内部，产生所谓的夹杂反响；(7)改善催化剂分散性。在超声均相催化反响中，研究较多的是金属羰基化合物作为催化剂的烯烃异构化反响。著名的声化学家Suclick等具体研究了超声条件下以Fe(CO)5为催化剂的1一戊烯异构化生成2一戊
12、烯的反响，发现超声条件下的的反响速率比没有超声时增加了105倍。Suclik等分析以为，超声空化气泡崩溃时产生的高温高压以及周围环境的快速冷却有利于Fe(CO)5解离，构成更高活性物种Fe3(CO)12。在研究了超声对多相催化经过的影响中发现超声能使单程转化率提高近10倍，其原因是增加了催化剂的分散度。考察低强度超声(10W/cm2)作用下Reformatsky反响，发如今超声30min后，反响产率到达90以上。Suslick等在声强为50Wc条件下研究了此反响，结果发如今25时该混合物超声5min后，产率可达95以上，同时发现助催剂在此对产率和反响时间并无影响。Suslick等具体研究了镍粉
13、作为催化剂的加氢反响，发如今超声作用下其反响活性提高了5个数量级。超声波在催化剂的活化、再生和制备中也显示出独特的优势。美国伊利诺斯大学研制成功一种超声波洗涤浴，可用于除去镍粉外表的氧化膜，使镍催化剂活化。3.3超声波在电化学研究中的应用超声在电化学中的应用主要有超声电分析化学、超声电化学发光分析、超声电化学合成、超声电镀等，超声与电化学的结合具有很多潜在的优点：电极外表的清洗和除气；电极外表的去钝化，电极外表的侵蚀；加速液相质量传递；加快反响速率；加强电化学发光；改变电合成反响的产率等。(1)电极经过动力学的研究超声伏安法超声伏安法即在超声存在下进行的伏安法，它是研究电化学经过强有力的工具。
14、其优点有：超声辐射使电极外表附近电活性物质和产物的质量传递大大加快；超声通过在水声解经过中构成的高活性自由基，如羟基自由基和氢自由基改变化学和电化学反响的机理；在超声存在下，电化学反响中涉及到的组分的吸附被减弱；超声辐射能连续地使电极外表活化。使用与超声相连的微电极能够到达极高的传质速率，超声的任何影响都集中在与电极外表冲击的霎时，使超声对电极经过的影响的研究更接近实际。传质速率的加强可归于两个瞬态经过：气泡在固液界面或附近崩溃是由于直接作用于电极外表高速液体微射流构成的结果；电极扩散层中或附近气泡的移动中，产生质量传递的瞬态高速。(2)超声伏安分析法超声伏安分析法的研究主要是基于超声加快液相
15、传质来提高灵敏度；基于电极的预处理和活化电极外表、提高重现性以及非均匀样品中的超声电化学分析等。超声伏安分析法在非均匀相样品中的应用具有广阔的前景，高浓度的蛋白质、多糖和脂肪在电极上的吸附严重污染电极，使电极的灵敏度和重现性大大降低，在非均匀体系中，由于在超声的作用下电极外表不断的更新，电极的钝化作用被减弱。由于超声诱导声流动空化，在电极和溶液界面产生高速微射流，通过使电极的腐蚀而使电极的钝化作用被减弱。Davis和Compton将超声与线形扫描技术结合，建立了超声电化学分析应用于复杂基体如非均匀相鸡蛋中亚硝酸盐的测定，可免去样品的预处理。(3)超声电化学发光分析电化学发光经过是电极反响产物之
16、间或电极产物与体系中某组分进行化学反响所产生的一种光辐射经过。在电化学发光研究中存在很多问题，如电极污染严重和发光效率低等。将超声技术与电化学发光连用，不仅能够提高电化学发光分析的灵敏度，而且克制了上述缺点。3.4超声波降解作用的应用超声波降解作用主要指对有机聚合物的降解作用及在水污染物处理经过中的应用。影响声解效率的因素主要有三个：(1)超声系统因素，包括频率和声强。(2)化学因素包括溶剂、溶液中饱和气体的种类、有机物的种类和浓度、自由基去除剂及pH值等。(3)与反响器有关的因素包括反响器的构造、反响器内能否建立起混响场和外部能否施加压力。超声处理能够降解大分子，尤其是处理高分子量聚合物的降
17、解效果更显著。纤维素、明胶、橡胶和蛋白质等经超声处理后都可得到很好的降解效果。目前对超声降解机理一般以为超声降解的原因是由于遭到力的作用以及空化泡爆裂时的高压影响，另外部分降解可能是来自热的作用。例如，在超声波作用下水中微量亚甲基蓝可有效降解，降解动力学符合一级反响，亚甲基蓝超声降解速率随初始浓度的升高而降低，随介质温度的下降而升高。亚甲基蓝在酸性和碱性条件下的降解速率高于中性条件下的降解速率。能促进OH等自由基构成的自由基促进剂Fe2+和I-等可有效加速亚甲基蓝的超声降解。超声技术应用于水污染物中的难降解有毒有机污染物时，主要是当超声波照射水体环境时，其高能量的输出将产生涡漩气泡，而气泡内部
18、的高温高压状态，可将水分子分解生成强氧化性的氢氧自由基，这些自由基对于各种有机物都有很高的反响速率，可将其氧化分解成其它较简单的分子，最终生成CO2和H20。大量的事实表明，声化学处理方法在治理废水中难生物降解有毒有机污染物方面行之有效。对于有机相水相的多相反响体系，利用超声波照射时，被乳化的液体通过交织时间的接触面积，快速进行反响，甚至在没有催化剂的条件下也能发生反响。有机物经超声处理后的分解产物与高温燃烧处理类似。35超声波在纳米材料制备中的应用由于纳米材料具有很多不同于本体材料的优良性能，因而纳米材料的制备与应用是近年来材料科学研究的热门。声空化所引发的特殊的物理、化学环境已为科学家们制
19、备纳米材料提供了重要的理论根据。超声化学法是一种制备特异性能纳米材料的有效途径。超声波对反响体系的作用主要表如今：利用超声能量进行分散；利用空化经过进行高温分解；利用剪切破碎机理对颗粒尺寸进行控制；利用机械搅动影响沉淀的构成经过。超声化学法在制备纳米金属及合金、纳米金属氧化物及其它纳米金属化合物等方面都得到广泛应用。用声化学分解高沸点溶剂中的挥发性有机金属前体时，能够得到具有高催化性能的各种形式的纳米构造材料。在制备方法上主要有：超声雾化分解法、金属有机物超声分解法、化学沉淀法和声电化学法等。十分在超声电沉积法制备纳米粉体新技术及超声制备无机一有机纳米复合材料等方面更有其发展前景。36超声波在
20、超临界流体化学反响中的应用新型化学反响技术和超声场强化相结合是超声化学领域中又一极具潜力的发展方向。超临界流体具有类似于液体的密度和类似于气体的粘度和扩散系数，这使得其溶解相当于液体，传质能力相当于气体。利用超临界流体良好的溶解性能和扩散性能，能够很好地改善非均相催化剂的失活问题，但如能加以超声场进行强化，则无疑是锦上添花。超声空化产生的冲击波和微射流不但能够极大地加强超临界流体溶解某些导致催化剂失活的物质，起到解吸和清洗的作用，使催化剂长时间保持活性，而且还有搅拌的作用，能分散反响物系，令超临界流体化学反响传质速率更上一层楼。另外，超声空化构成的局部点高温高压将有利于反响物裂解成自由基，大大
21、加快反响速率。目前对超临界流体化学反响研究较多，但利用超声场强化此类反响的研究极少。另外，超声波在其它很多领域都得到广泛应用，例如，超声强化萃取和超声强化结晶。超声强化萃取分为固一液萃取和液一液萃取。超声强化固一液萃取可应用于从中药中提取生产水杨酸、氯化黄连素、岩白菜宁等药物成分。而对于一般受传质速率控制的液一液萃取体系来讲，超声波的作用特别显著，十分在有色冶金工业中金属的液液萃取经过应用适宜的超声频率和功率作用时，能够大大加强其分解速度和提高萃取速率。此外，超声化学技术在粮油食品的分析测试、包装、清洗、枯燥、乳化、陈化、结晶、分离、萃取、澄清、化学合成、杀菌、酶研究等方面也有其广泛应用前景。
22、4结束语超声化学的基础研究和应用都已获得了丰富的成果，但是，还有很多有待研究的课题。研究者已经发如今某些反响体系，超声能改变化学反响途径，而超声化学的某些行为还不清楚，尽管有些研究者得出在空化气泡破裂中构成自由基的结论，而在空化气泡中自由基的构成机理还有待于更进一步的研究和探索。我们相信随着更多化学家和声学家们潜心研究与努力，终将会使超声化学这门边缘学科进入一个全新的发展阶段，其应用前景将愈加广泛。参考文献：14贾卫国，张鹏等。超声化学的研究与应用J。辽宁大学学报(自然科学版)2002，03：711。2冯若，李化茂。声化学及其应用M。合肥：安徽科学技术出版社，1992。13。3冯若。超声手册M
23、。南京：南京大学出版社，1999。5栗兆海，陈馥衡，谢求元。超声波在有机合成中的应用J。化学进展1998，10(1)：6373。6李记太，臧洪俊。超声波应用于有机合成方面的新进展J，河北大学学报2000，03(1)：96102，8边延江，李记太，李同双，超声波在金属介入的有机合成方面的应用J。有机化学2OO2，22(4)：227232，91011王娜，李保庆。超声催化反响的研究现状和发展趋势J。化学通报1999，5：2632，1315张成孝超声电化学及其研究进展J。陕西师范大学学报。2001，29(2)：103109。17王西奎。超声化学法降解水中微量亚甲基蓝的研究J，环境化学2OO4，23(01)：105108。18卞华松，张大年，赵一先。水污染物的超声波降解研究进展J，环境污染治理技术与设备2000，1(1)：5664，19卢小琳。超声化学法制备无机纳米材料的研究进展J，中国粉体技术2OO4，10(01)：444