| 标题 | 化学与社会神奇的声化学 |
| 范文 | 廖振华 1876年，英国海军建造出了第一艘高速驱逐舰，在试航时发现，螺旋桨推 进器在水中会引起剧烈振动，航速下降，噪声增加，并发现原本光滑的螺旋桨表 面出现了大面积被腐蚀的凹点，工程师们不得其解。其后，英国海军虽几次改进 设计，但始终未能摆脱振动和腐蚀问题的困扰，于是邀请著名力学专家瑞利勋爵 来研究这个问题。瑞利经过10多年的研究发现，螺旋桨表面被腐蚀的原因不是 海水的化学腐蚀作用，而是物理机制，水力空化效应是造成这一结果的根本原因。 这种振动是由于螺旋桨的旋转产生了大气泡（空穴），而这些大气泡又在水的压 力下随即发生内爆而产生的。这是第一次对空化现象物理本质的描述。1917年， 瑞利发表了题为“液体中球形空腔崩溃时产生的压力”的著名研究论文，对空化 现象的理论研究做出了重大突破，为半个多世纪以来的一切有关空化理论研究奠 定了基础。 以上现象是声波与物质（媒质）发生物理作用，那么，声波又是如何与物质 发生化学作用呢？在固体和气体中，声波不会与媒质发生化学作用，而在液体中 （可以是常见的水，也可以是有机液体如烃类、醇类、羧酸类等），由于声音传 播的非线性效应，可以和媒质发生化学作用。这其中的科学机制就是被广泛研究 的声波在液体中的“空化效应”。 一、什么是声化学 所谓声化学，主要是指利用超声波加速化学反应、提高化学产率的一门新兴 的交叉学科。声化学反应不是来自声波与物质分子的直接相互作用，因为在液体 中常用的声波波长为10 cm～0.015 cm（对应15 kHz～10 MHz），远大于分子尺 度。声化学反应主要源于声空化——液体中空腔的形成、振荡、生长、收缩至崩 溃，及其引发的物理、化学变化。液体声空化的过程是集中声场能量并迅速释放 的过程。空化泡崩溃时，极短时间（纳秒和微秒之间）在空化泡周围的极小空间 内，产生5000 K以上的高温（如此高温足以导致液体媒质和空化泡内的物质发 生高温裂解，从而引发一系列的自由基反应。）和大约5×107Pa的高压，温度变 化率高达109K/s，并伴生强烈的冲击波和（或）时速达400 km的射流，这就为 在一般条件下难以实现或不可能实现的化学反应，提供了一种新的非常特殊的物 理环境，开启了新的化学通道。所以，空化效应可以直接在液体媒质中引起化学 反应。与这些化学反应相关的一门学科便被称之为声化学，有的文献上也称声化 学为超声波化学或高能化学，是化学学科目录里的最后一门独立的化学学科。 声化学的主要内容是，利用超声空化能量开启或加速化学反应，提高化学产 额。声化学中主要使用20 kHz～50 kHz的功率超声波，通常的声化学反应器尺 度在量级上接近声波波长，这样低频超声波在媒质中传播衰减很小，在容器壁上 几乎发生全反射，且足够的声强会使液体媒质表面受到激烈扰动，因此，在反应器内极易建立起混响场。 超声空化提供了能量形式，在作用时间、压力及每个分子可获取的能量等方 面完全不同于一些传统的能源，如光能、热能及离子辐射能等。 声化学反应有四种类型，它们是：常见的化学反应，水溶液中的氧化还原反 应，聚合物的降解和有机溶剂的分解反应。若从讨论声化学反应的机理出发，则 常将所有的声化学反应分成超声波可加速反应的化学反应，和只有施加超声波才 会发生的化学反应两大类型。 属于前一种类型的声化学反应例子很多，如：酯的水解、乙炔加氢和乙醛还 原，碳酸钙与酸的反应、重氮化合物的分解和使用固体催化剂的反应等。 属于后一种类型的声化学反应例子有：聚合物的降解和聚合反应，在四氯化 碳条件下从碘化物中释放碘，在以空气饱和的水中形成H2O2、HNO2和HNO3，在芳烃的水溶液中形成羟基芳烃化合物等。 二、声化学的应用 声化学已是目前化学研究的前沿之一。它的发展正在国际范围内引起化学学术界的重视。声化学技术在生产上可望首先为农药、合成药物、塑料和微电子器件等工业带来重大变革，因此正受到化工生产行业的极大关注。当前国际化学界认为，化学研究应予优先注意的尖端项目之一就是物质在高温和超高压的极端条件下的化学行为，因其有助于了解化学反应，开辟新途径，寻求新材料。可以肯定，声化学科学的发展必将有新的贡献。 实验化学家可以在一系列应用领域中发挥功率超声的作用，并可望从中获得一种或数种益处，这些益处大体上表现为： 1.加速化学反应或软化所需要的反应条件。 2.声化学反应与一般技术相比，对试剂规格的要求常常会降低。 3.反应常常由超声引发，而勿需添加试剂。 4.合成程序中通常所要求的步骤会减少。 5.在某些情况下，反应可能完全遵循另外途径进行。 以下列出功率超声在化工等方面的应用。 1.电镀。在电镀槽中施以超声辐照可以增加电镀速率和防止电镀电流下降， 而在一般情况下由于极化这种电流下降现象总是要发生的。功率超声用于电化学 过程带来的益处有如下几点： （1）超声辐照可以随时除去电极表面出现的气泡，保证电流畅通无阻。 （2）超声空化产生的射流可以不断地净化电极表面，以保持其化学活性。 （3）超声空化作用可连续扰动扩散层，以防止离子耗尽。 （4）超声扰动使得在整个电化学反应过程中，有更多的离子穿过电极双层传输。 2.沉淀、结晶与雾化。沉淀、结晶与雾化这三种过程的共性在于，它们都是 功率超声作用于液态媒质以产生特殊形态物质的表现形式。在若干工业生产中， 常常需要加工出特别微小而均匀的物质颗粒。大量事实证明，超声是加工这类微 粒十分有效的工具。如在制药厂，为生产口服或皮下注射悬浮液药剂，就要求加 工很细小而均匀的物质颗粒，一则可以得到稳定的悬浮液，二则又易于人体吸收。 3.分离与过滤。传统的过滤方法会常常出现过滤阻塞，因此不得不定期更换过滤膜。不言而喻，如使之避免过滤阻塞和保持连续工作，将会带来明显的经济效益。事实表明，应用功率超声可为解决这个问题提供理想途径。超声辐照用于改善过滤过程主要表现在二个方面：其一是，超声辐照会使过细的颗粒发生凝聚，从而使过滤加快；其次是，超声辐照向系统提供足够的振动能量，使部分粒子保持悬浮，为溶剂的分离提供了较多的自由通道。 三、声化学的未来 上世纪二十年代，在美国普林斯顿大学化学实验室，首次发现了超声波有加 速二甲基硫酸酯的水解和亚硫酸还原碘酸钾反应的作用，但未引起化学家的重 视。到了上世纪八十年代中期，声化学已与热化学、光化学、电化学一样，成为了一个 新的化学分支，并在国际上异军突起，迅速发展。 1986年4月8～11日，第一届国际声化学学术讨论会在英国沃里克大学召 开，标志着声化学在经历了一段很短的复兴期后就在现代科学技术领域中占有一 席之地。同年4月14日，英国《泰晤士报》写道：“一场新工业革命就在眼前， 它将使塑料、洗涤剂、制药和农业化学的传统生产技术焕然一新，它无与伦比的 优点就是安全（不要求现行生产中的高温高压条件）和价廉（只消耗最少量的能 量）。……这就是称作为声化学的新的科学分支”。 声化学的崛起不仅引起了化学界的极大关注，也激发了化工企业界的深厚兴 趣。1986年，在阿纳海姆召开的美国化学学会（ACS）全国会议上，“有机金属 化学中的高能技术”论题的主要内容就是声化学；1987年，英国皇家化学学会 专门成立了声化学学科组；同年在法国的萨瓦大学，关于“有机化学中新的合成 方法”的EUCHEM专题研究小组，则把声化学作为它的重要部分；1988年英 国有20家公司签约成立“声化学俱乐部”，从经济上支持声化学研究。 声化学在2l世纪正得到越来越多的化学家的关注，这门新兴的化学学科正 值年少，并已经向工业应用领域拓展，神奇的声化学一定会圆我们更多的梦想。 （收稿日期：2015-01-26） |
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