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Sonoquímica

En química , el estudio de la sonoquímica se centra en comprender el efecto del ultrasonido en la formación de cavitación acústica en líquidos, lo que da lugar al inicio o la in...

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En química , el estudio de la sonoquímica se centra en comprender el efecto del ultrasonido en la formación de cavitación acústica en líquidos, lo que da lugar al inicio o la intensificación 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 sonora ultrasónica con las moléculas de la solución.

Historia

La influencia de las ondas sonoras que viajan a través de líquidos fue descrita por primera vez por Robert Williams Wood (1868-1955) y Alfred Lee Loomis (1887-1975) en 1927. El experimento versaba sobre la frecuencia de la energía necesaria para que las ondas sonoras "penetraran" la barrera del agua. Llegaron a la conclusión de que el sonido viaja más rápido en el agua, pero debido a la densidad del agua en comparación con la atmósfera terrestre, era increíblemente difícil lograr que las ondas sonoras acoplaran su energía al agua. Debido al cambio repentino de densidad, gran parte de la energía se pierde, de forma similar a cuando se ilumina un cristal con una linterna; parte de la luz se transmite al cristal, pero gran parte se pierde por reflexión hacia el exterior. De manera similar, en una interfaz aire-agua, casi todo el sonido se refleja en el agua, en lugar de transmitirse a través de ella. Tras mucha investigación, decidieron que la mejor manera de dispersar el sonido en el agua era crear burbujas simultáneamente con el sonido. Otro problema fue la relación entre el tiempo que tardaban las ondas de baja 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 otro extremo del cuerpo de agua. Pero a pesar de las ideas revolucionarias de este artículo, pasó prácticamente desapercibido. [ 2 ] La sonoquímica experimentó un renacimiento en la década de 1980 con la aparición de generadores de ultrasonido de alta intensidad, económicos y fiables, la mayoría 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 mayores 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 consiguiente, 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 una acumulación masiva de energía dentro de la burbuja, generando temperaturas y presiones extremadamente altas en una región microscópica del líquido sonicado . Las altas temperaturas y presiones provocan la excitación química de cualquier materia dentro o muy cerca de la burbuja a medida que esta implosiona rápidamente. La cavitación acústica puede dar lugar a una amplia variedad de resultados, entre ellos la sonoluminiscencia , el aumento de la actividad química en la solución debido a la formación de reacciones de radicales primarios y secundarios, y el aumento de la actividad química mediante 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 tras la disociación del vapor de agua dentro de burbujas que colapsan cuando el agua se expone a ultrasonidos).

Al ser irradiadas con sonido o ultrasonido de alta intensidad, generalmente se produce cavitación acústica. La cavitación —la formación, el crecimiento y el colapso implosivo de burbujas irradiadas con sonido— es el impulso para la sonoquímica y la sonoluminiscencia . [ 6 ] El colapso de 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 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 líquidos que contienen sólidos, pueden ocurrir fenómenos similares al exponerlos a ultrasonidos. Una vez que se produce cavitación cerca de una superficie sólida extensa, el colapso de la cavidad no es esférico e impulsa chorros de líquido a alta velocidad hacia la superficie. [ 6 ] Estos chorros y las ondas de choque asociadas pueden dañar la superficie, ahora muy calentada. 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 la anterior, sonocatálisis (la catálisis o el aumento de la velocidad de una reacción química con ultrasonido). [ 10 ] [ 11 ] [ 12 ] La sonoluminiscencia es consecuencia de los mismos fenómenos de cavitación que son responsables de la sonoquímica homogénea. [ 5 ] [ 13 ] [ 14 ] La mejora química de las reacciones por ultrasonido se ha explorado y tiene aplicaciones beneficiosas en la síntesis de fases mixtas, 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 aumentar considerablemente la reactividad química en varios sistemas hasta un millón de veces; [ 15 ] actuando eficazmente para activar catalizadores heterogéneos . Además, en reacciones en interfaces líquido-sólido, el ultrasonido rompe los fragmentos sólidos y expone superficies limpias activas mediante microchorros formados por cavitación cerca de las superficies y por la fragmentación de sólidos debido al colapso de la cavitación en las proximidades. Esto proporciona al reactivo sólido una mayor superficie activa sobre la que puede transcurrir la reacción, aumentando la velocidad de reacción observada. [ 16 ] [ 17 ]

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

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

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

La sonoquímica también puede utilizarse para soldar metales que normalmente no se pueden unir, o para formar aleaciones novedosas en una superficie metálica. Esto guarda cierta relación con el método de calibración de limpiadores ultrasónicos mediante una lámina de aluminio, contando los orificios. Dichos orificios se forman por microchorros producidos por cavitación cerca de la superficie, como se mencionó anteriormente. Debido a la delgadez y fragilidad de la lámina de aluminio, la cavitación provoca rápidamente su fragmentación y destrucción.

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). "Sonoquímica". 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". The London, Edinburgh, and Dublin Philosophical Magazine and Journal of Science . 4 (22). Informa UK Limited: 417– 436. doi : 10.1080/14786440908564348 . ISSN 1941-5982 . 
  3. 1 2 Suslick, Kenneth S. (1989). "Los efectos químicos del ultrasonido". Scientific American . 260 (2). Springer Nature: 80– 86. Bibcode : 1989SciAm.260b..80S . doi : 10.1038/scientificamerican0289-80 . ISSN 0036-8733 . S2CID 124890298 .  
  4. ↑ Suslick, KS (23 de marzo de 1990). "Sonoquímica". 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. 1 2 Suslick, Kenneth S.; Flannigan, David J. (2008). "Dentro de una burbuja colapsante: sonoluminiscencia y las condiciones durante la cavitación". Annual Review of Physical Chemistry . 59 (1). Annual Reviews: 659– 683. Bibcode : 2008ARPC...59..659S . doi : 10.1146/annurev.physchem.59.032607.093739 . ISSN 0066-426X . PMID 18393682. S2CID 9914594 .   
  6. 1 2 Leighton, TG La burbuja acústica; Academic Press: Londres, 1994, pp.531–555.
  7. ↑ Suslick, Kenneth S.; Hammerton, David A.; Cline, Raymond E. (1986). "Punto caliente sonoquímico". Journal of the American Chemical Society . 108 (18). American Chemical Society (ACS): 5641– 5642. Bibcode : 1986JAChS.108.5641S . doi : 10.1021/ja00278a055 . ISSN 0002-7863 . S2CID 100496976 .  
  8. ↑ Flint, EB; Suslick, KS (20 de septiembre de 1991). "La temperatura de 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 Adv. Sonochem. 1990, 1, 197–230.
  10. ↑ Einhorn, Cathy; Einhorn, Jacques; Luche, Jean-Louis (1989). "Sonoquímica: el uso de ondas ultrasónicas en la química orgánica sintética". Synthesis . 1989 (11). Georg Thieme Verlag KG: 787–813 . doi : 10.1055/s-1989-27398 . ISSN 0039-7881 . 
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  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 . 
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  14. ↑ Putterman, SJ Sci. Am. Febrero de 1995, pág. 46.
  15. ↑ Suslick, Kenneth S.; Casadonte, Dominick J. (1987). "Sonocatálisis heterogénea con polvo de níquel". Journal of the American Chemical Society . 109 (11). American Chemical Society (ACS): 3459– 3461. Bibcode : 1987JAChS.109.3459S . 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". Journal of the American Chemical Society . 133 (37). American Chemical Society (ACS): 14530– 14533. Bibcode : 2011JAChS.13314530Z . 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 ultrasonidos". Temas en 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 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. Bibcode : 2010Agua...2...28G . 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 fusión 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 fotocatálisis piezoeléctrica: Clasificación de catalizadores y estrategia de modificación, 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 revisión y literatura reciente.
  • Sonoquímica: nuevas oportunidades para la química verde por Gregory Chatel (Université Savoie Mont Blanc, Francia)
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