超声波在化学方面的应用

超声化学是声学与化学相互交叉渗透而发展起来的一门新兴边缘学科，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应，提高化学产率的一门学科。利用超声能够加速和控制化学反应,提高反应产率，改变反应历程和改善反应条件以及引发新的化学反应等。

1、超声波的特点

超声波是频率高于20000赫兹的声波，它方向性好，穿透能力强，易于获得较集中的声能，在水中传播距离远，可用于测距，测速，清洗，焊接，碎石、杀菌消毒等。在医学、军事、工业、农业上有很多的应用。超声波因其频率下限大约等于人的听觉上限而得名。超声波具有如下特性：1） 超声波可在气体、液体、固体、固熔体等介质中有效传播。2） 超声波可传递很强的能量。3） 超声波会产生反射、干涉、叠加和共振现象。4） 超声波在液体介质中传播时，可在界面上产生强烈的冲击和空化现象。

2、超声化学的作用机理

超声化学是利用超声能量加速和控制化学反应，提高反应产率和引发新的化学反应的一门边缘学科。超声化学主要源于声空化—液体中空腔的形成，振荡，生长收缩及崩溃，以及引发的物理和化学变化。液体声空化过程是集中声场能量并迅速释放的过程。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5.05×108Pa的高压，速度变化率高达1010Ks，并伴生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应，提供了一种新的非常特殊的物理环境，开启了新的化学反应通道。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\".这些气泡同时受到强超声的作用，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过程中，会产生短暂的局部高温、高压，加热和冷却的速度率大于1010Ks，并产生强电场，从而引发许多力学、热学、化学、生物等效应。反应体系的环境条件会极大地影响空化的强度，而空化强度则直接影响到反应的速率和产率。这些环境条件包括反应温度、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，固体发生化学反应的途径，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相互作用。实验室常用的超声反应器有，超声清洗器,超声细胞粉碎器等。

3、超声化学在催化化学中的应用

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，声空化作用时间短，释放出高能量。例如，在高温条件下，有利于反应物种的裂解和自由基的形成，从而形成了更为活泼的反应物种，有利于二次反应的进行，提高了化学反应的速率。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应，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，特别是导致分子间强烈的相互碰撞和聚集，对固体表面形态，表面组成都有极为重要的作用。总之，,超声对于化学反应的影响，并不是直接作用于分子，而是间接地影响化学反应，这种作用对于催化反应体系尤为明显。

4、超声在纳米材料制备中的应用

近年来，声化学方法已成为制备具有特殊性能新材料的一种有用的技术。声空化所引发的特殊的物理、化学环境已为科学家们制备纳米材料提供了重要的途径。用声化学分解高沸点溶剂中的挥发性有机金属前体时，可以得到具有高催化性能的各种形式的纳米结构材料。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。例如，沉淀法是制备纳米材料的湿化学方法中最具有实用化前景的方法之一，其工艺简单、成本低、所得粉

体性能优良。利用此方法产生的沉淀颗粒的大小主要取决于晶核生长与长大的相对速率。如果引入超声场，一方面，由于超声空化作用产生的高温高压环境为体系提供了能量去克服微小颗粒形成时来自界面能的成核能量势垒，使得晶核生成速率提高几个数量级；同时，外加超声空化作用在固体颗粒表面产生的大量微

小气泡会干扰构晶离子的有序排列，不利于晶核进一步长大。另一方面，超声空化产生的高压冲击波和微射流起到的粉碎、乳化、搅拌等机械效应，在一定时间内又能有效阻止晶核的生长与团聚，使微小颗粒分布更均匀。上述诸原因造成超声沉淀法合成的纳米粒子与未加超声时合成的纳米粒子相比粒径更小，分散性更好。

5、结语

在过去20年，超声化学的基础研究和应用研究都已取得了丰硕的成果，但是，还有许多有待研究的课题。研究者已经发现在某些反应体系，超声能改变化学反应途径，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形成自由基的结论，而在空化气泡中自由基的形成机理还不清楚。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。而且目前市场上已有工业规模的超声波发生设备，这为将超声技术用于纳米材料的规模化生产奠定了基础，因

此超声技术在这方面具有广泛的应用前景。超声化学科学的发展必将对我国的科技事业和国民经济发展不断做出新的贡献。

参考文献：

1、 林书玉 《功率超声技术的研究现状及其最新进展》 陕西师范大学学报（自然科学版），2001，29（1）：103.

2、 李志伟,陶小军,程亚敏 等.无机化学学报，2005，21（8）：1261～1264.

3、李春喜 王子镐 《超声技术在纳米材料制备中的应用》 化学通报 2001年第5期