Sonoquímica

En química , el estudio de la sonoquímica se ocupa de comprender el efecto del ultrasonido en la formación de cavitación acústica en líquidos, lo que resulta en el inicio o aumento de la actividad química en la solución. [1] Por lo tanto, los efectos químicos del ultrasonido no provienen de una interacción directa de la onda de sonido ultrasónica con las moléculas en la solución.

Historia

En 1927, Robert Williams Wood (1868-1955) y Alfred Lee Loomis (1887-1975) fueron los primeros en informar sobre la influencia de las ondas sónicas que se propagan a través de los líquidos . El experimento trataba sobre la frecuencia de la energía que necesitaban las ondas sónicas para "penetrar" la barrera del agua. Llegó a la conclusión de que el sonido se propaga más rápido en el agua, pero debido a la densidad del agua en comparación con la atmósfera terrestre , era increíblemente difícil conseguir que las ondas sónicas acoplaran su energía al agua. Debido al cambio repentino de densidad, se pierde gran parte de la energía, de forma similar a cuando se enfoca una linterna hacia un trozo de vidrio; parte de la luz se transmite al vidrio, pero gran parte se pierde por reflexión hacia el exterior. De forma similar, en una interfaz aire-agua, casi todo el sonido se refleja en el agua, en lugar de transmitirse hacia el interior de ella. Después de mucha investigación, decidieron que la mejor forma de dispersar el sonido en el agua era crear burbujas al mismo tiempo que el sonido. Otro problema era la relación entre el tiempo que tardaban las ondas de menor frecuencia en penetrar las paredes de las burbujas y acceder al agua que las rodeaba, en comparación con el tiempo transcurrido desde ese punto hasta el punto situado en el otro extremo del cuerpo de agua. Pero a pesar de las ideas revolucionarias de este artículo, pasó prácticamente desapercibida. [2] La sonoquímica experimentó un renacimiento en la década de 1980 con la llegada de generadores económicos y fiables de ultrasonidos de alta intensidad, la mayoría de ellos basados ​​en elementos piezoeléctricos . [3]

Principios físicos

Las ondas sonoras que se propagan a través de un líquido a frecuencias ultrasónicas tienen longitudes de onda muchas veces más largas que las dimensiones moleculares o la longitud del enlace entre los átomos de la molécula. Por lo tanto, la onda sonora no puede afectar directamente la energía vibracional del enlace y, por lo tanto, no puede aumentar directamente la energía interna de una molécula. [4] [5] En cambio, la sonoquímica surge de la cavitación acústica : la formación, el crecimiento y el colapso implosivo de burbujas en un líquido. [3] El colapso de estas burbujas es un proceso casi adiabático , lo que resulta en la acumulación masiva de energía dentro de la burbuja, lo que resulta en temperaturas y presiones extremadamente altas en una región microscópica del líquido sonicado . Las altas temperaturas y presiones dan como resultado la excitación química de cualquier materia dentro o muy cerca de la burbuja a medida que implosiona rápidamente. La cavitación acústica puede tener una amplia variedad de resultados , incluida la sonoluminiscencia , el aumento de la actividad química en la solución debido a la formación de reacciones radicales primarias y secundarias y el aumento de la actividad química a través de la formación de nuevas especies químicas relativamente estables que pueden difundirse más en la solución para crear efectos químicos (por ejemplo, la formación de peróxido de hidrógeno a partir de la combinación de dos radicales hidroxilo después de la disociación del vapor de agua dentro de burbujas que colapsan cuando el agua se expone a ultrasonidos).

Tras la irradiación con sonido de alta intensidad o ultrasonido, suele producirse cavitación acústica. La cavitación (formación, crecimiento y colapso implosivo de burbujas irradiadas con sonido) es el impulso para la sonoquímica y la sonoluminiscencia . [6] El colapso de las burbujas en líquidos produce enormes cantidades de energía a partir de la conversión de la energía cinética del movimiento del líquido en calentamiento del contenido de la burbuja. La compresión de las burbujas durante la cavitación es más rápida que el transporte térmico, lo que genera un punto caliente localizado de corta duración. Los resultados experimentales han demostrado que estas burbujas tienen temperaturas de alrededor de 5000 K, presiones de aproximadamente 1000 atm y velocidades de calentamiento y enfriamiento superiores a 10 10 K/s. [7] [8] Estas cavitaciones pueden crear condiciones físicas y químicas extremas en líquidos que de otro modo estarían fríos.

En el caso de líquidos que contienen sólidos, pueden producirse fenómenos similares con la exposición a ultrasonidos. Una vez que se produce cavitación cerca de una superficie sólida extendida, el colapso de la cavidad no es esférico y genera chorros de líquido a alta velocidad hacia la superficie. [6] Estos chorros y las ondas de choque asociadas pueden dañar la superficie, que ahora está muy caliente. Las suspensiones de líquido y polvo producen colisiones entre partículas a alta velocidad. Estas colisiones pueden cambiar la morfología , la composición y la reactividad de la superficie. [9]

Reacciones sonoquímicas

Existen tres clases de reacciones sonoquímicas: sonoquímica homogénea de líquidos, sonoquímica heterogénea de sistemas líquido-líquido o sólido-líquido y, superponiéndose con lo mencionado anteriormente, sonocatálisis (la catálisis o aumento de la velocidad de una reacción química con ultrasonido). [10] [11] [12] La sonoluminiscencia es una consecuencia de los mismos fenómenos de cavitación que son responsables de la sonoquímica homogénea. [13] [14] [5] Se ha explorado la mejora química de las reacciones mediante ultrasonido y tiene aplicaciones beneficiosas en la síntesis de fase mixta, la química de materiales y los usos biomédicos . Debido a que la cavitación solo puede ocurrir en líquidos, no se observan reacciones químicas en la irradiación ultrasónica de sólidos o sistemas sólido-gas.

Por ejemplo, en cinética química , se ha observado que el ultrasonido puede mejorar en gran medida la reactividad química en varios sistemas hasta en un millón de veces; [15] actuando efectivamente para activar catalizadores heterogéneos . Además, en reacciones en interfaces líquido-sólido, el ultrasonido rompe los trozos sólidos y expone superficies limpias activas a través de picaduras de microchorros por cavitación cerca de las superficies y por fragmentación de sólidos por colapso de cavitación cercano. Esto le da al reactivo sólido una mayor área de superficie de superficies activas para que la reacción continúe, lo que aumenta la velocidad de reacción observada., [16] [17]

Si bien la aplicación de ultrasonidos a menudo genera mezclas de productos, un artículo publicado en 2007 en la revista Nature describió el uso de ultrasonidos para afectar selectivamente una determinada reacción de apertura del anillo de ciclobutano . [18] Atul Kumar informó sobre la síntesis de ésteres de Hantzsch mediante una reacción multicomponente en micelas acuosas utilizando ultrasonidos. [19]

Algunos contaminantes del agua, especialmente los compuestos orgánicos clorados, pueden destruirse sonoquímicamente. [20]

La sonoquímica se puede realizar utilizando un baño (usado generalmente para limpieza ultrasónica ) o con una sonda de alta potencia, llamada bocina ultrasónica , que canaliza y acopla la energía de un elemento piezoeléctrico en el agua, concentrada en un punto (generalmente pequeño).

La sonoquímica también se puede utilizar para soldar metales que normalmente no son factibles de unir, o para formar nuevas aleaciones sobre una superficie metálica. Esto está relacionado de forma lejana con el método de calibrar limpiadores ultrasónicos utilizando una lámina de papel de aluminio y contando los agujeros. Los agujeros formados son el resultado de picaduras por microchorro resultantes de la cavitación cerca de la superficie, como se mencionó anteriormente. Debido a la delgadez y debilidad del papel de aluminio, la cavitación rápidamente da como resultado la fragmentación y destrucción del papel.

Una nueva generación de sonoquímica está aprovechando las ventajas de los materiales ferroeléctricos funcionales para mejorar aún más la química en un reactor sonoquímico en un proceso emergente llamado piezocatálisis. [21] [22]

Véase también

Referencias

  1. ^ Suslick, KS (1990). "Sonochemistry". Science . 247 (4949): 1439–45. Bibcode :1990Sci...247.1439S. doi :10.1126/science.247.4949.1439. PMID  17791211. S2CID  220099341.
  2. ^ Wood, RW; Loomis, Alfred L. (1927). "Los efectos físicos y biológicos de las ondas sonoras de alta frecuencia y gran intensidad". Revista filosófica y revista científica de Londres, Edimburgo y Dublín . 4 (22). Informa UK Limited: 417–436. doi :10.1080/14786440908564348. ISSN  1941-5982.
  3. ^ ab Suslick, Kenneth S. (1989). "Los efectos químicos del ultrasonido". Scientific American . 260 (2). Springer Nature: 80–86. Código Bibliográfico :1989SciAm.260b..80S. doi :10.1038/scientificamerican0289-80. ISSN  0036-8733. S2CID  124890298.
  4. ^ Suslick, KS (23 de marzo de 1990). "Sonochemistry". Science . 247 (4949). Asociación Estadounidense para el Avance de la Ciencia (AAAS): 1439–1445. Bibcode :1990Sci...247.1439S. doi :10.1126/science.247.4949.1439. ISSN  0036-8075. PMID  17791211. S2CID  220099341.
  5. ^ ab Suslick, Kenneth S.; Flannigan, David J. (2008). "Dentro de una burbuja en colapso: sonoluminiscencia y las condiciones durante la cavitación". Revisión anual de química física . 59 (1). Revisiones anuales: 659–683. Bibcode :2008ARPC...59..659S. doi :10.1146/annurev.physchem.59.032607.093739. ISSN  0066-426X. PMID  18393682. S2CID  9914594.
  6. ^ ab Leighton, TG La burbuja acústica; Academic Press: Londres, 1994, págs. 531–555.
  7. ^ Suslick, Kenneth S.; Hammerton, David A.; Cline, Raymond E. (1986). "Punto caliente sonoquímico". Revista de la Sociedad Química Americana . 108 (18). Sociedad Química Americana (ACS): 5641–5642. doi :10.1021/ja00278a055. ISSN  0002-7863. S2CID  100496976.
  8. ^ Flint, EB; Suslick, KS (20 de septiembre de 1991). "La temperatura de la cavitación". Science . 253 (5026). Asociación Estadounidense para el Avance de la Ciencia (AAAS): 1397–1399. Bibcode :1991Sci...253.1397F. doi :10.1126/science.253.5026.1397. ISSN  0036-8075. PMID  17793480. S2CID  22549622.
  9. ^ Suslick, KS; Doktycz, SJ Abogado Sonochem. 1990, 1, 197–230.
  10. ^ Einhorn, Cathy; Einhorn, Jacques; Luche, Jean-Louis (1989). "Sonoquímica - El uso de ondas ultrasónicas en química orgánica sintética". Síntesis . 1989 (11). Georg Thieme Verlag KG: 787–813. doi :10.1055/s-1989-27398. ISSN  0039-7881.
  11. ^ Luche, JL; Compite. Rendus. Serie. IIB 1996, 323, 203, 307.
  12. ^ Pestman, Jolanda M.; Engberts, enero BFN; de Jong, Feike (1994). "Sonoquímica: teoría y aplicaciones". Recueil des Travaux Chimiques des Pays-Bas . 113 (12). Wiley: 533–542. doi :10.1002/recl.19941131202. ISSN  0165-0513.
  13. ^ Crum, Lawrence A. (1994). "Sonoluminiscencia". Physics Today . 47 (9). AIP Publishing: 22–29. Bibcode :1994PhT....47i..22C. doi :10.1063/1.881402. ISSN  0031-9228. PMID  17771441.
  14. ^ Putterman, SJ Sci. Am. Febrero de 1995, pág. 46.
  15. ^ Suslick, Kenneth S.; Casadonte, Dominick J. (1987). "Sonocatálisis heterogénea con polvo de níquel". Revista de la Sociedad Química Americana . 109 (11). Sociedad Química Americana (ACS): 3459–3461. doi :10.1021/ja00245a047. ISSN  0002-7863. S2CID  96340676.
  16. ^ Zeiger, Brad W.; Suslick, Kenneth S. (21 de septiembre de 2011). "Sonofragmentación de cristales moleculares". Revista de la Sociedad Química Estadounidense . 133 (37). Sociedad Química Estadounidense (ACS): 14530–14533. doi :10.1021/ja205867f. ISSN  0002-7863. PMID  21863903. S2CID  12061434.
  17. ^ Hinman, Jordan J.; Suslick, Kenneth S. (11 de enero de 2017). "Síntesis de materiales nanoestructurados mediante ultrasonido". Temas de la química actual . 375 (1). Springer Nature: 12. doi :10.1007/s41061-016-0100-9. ISSN  2365-0869. PMID  28078627. S2CID  29099588.
  18. ^ "La fuerza bruta rompe los enlaces". Chemical & Engineering News . 22 de marzo de 2007.
  19. ^ Atul Kumar, RAMuarya SYNLETT 1987, 109, 3459. https://www.organic-chemistry.org/abstracts/lit2/076.shtm
  20. ^ González-García, José; Sáez, Verónica; Tudela, Ignacio; Díez-García, María Isabel; Deseada Esclapez, María; Louisnard, Olivier (2 de febrero de 2010). "Tratamiento sonoquímico de agua contaminada por organocompuestos clorados. Una revisión". Agua . 2 (1). MDPI AG: 28–74. doi : 10.3390/w2010028 . ISSN  2073-4441.
  21. ^ Nan Meng, Wei Liu, Ruyu Jiang, Yu Zhang, Steve Dunn, Jiyue Wu, Haixue Yan Fundamentos, avances y perspectivas de la piezocatálisis: una unión de la física del estado sólido y la química catalítica https://doi.org/10.1016/j.pmatsci.2023.101161
  22. ^ Shuchen Tu, Yuxi Guo, Yihe Zhang, Cheng Hu, Tierui Zhang, Tianyi Ma, Hongwei Huang Piezocatálisis y piezofotocatálisis: estrategia de clasificación y modificación de catalizadores, mecanismo de reacción y aplicación práctica https://doi.org/10.1002/adfm.202005158
  • Los efectos químicos y físicos del ultrasonido por el profesor KS Suslick
  • Sonoquímica: breve reseña y literatura reciente
  • Sonoquímica: nuevas oportunidades para la química verde por Gregory Chatel (Université Savoie Mont Blanc, Francia)
Obtenido de "https://es.wikipedia.org/w/index.php?title=Sonoquímica&oldid=1230857093"