Sonoquímica
La sonoquímica es un campo de la química que estudia los efectos del ultrasonido de ondas en las reacciones químicas . Estos efectos químicos no se deben a una interacción directa entre la onda ultrasónica y los reactivos que se desea transformar (más comúnmente degradar). La clave de la sonoquímica se basa en una modificación de las propiedades fisicoquímicas del medio gracias al fenómeno de la cavitación acústica y que, por tanto, está en el origen de las transformaciones químicas observadas durante la sonicación.
Propiedades
Cuando la onda ultrasónica viaja a través de un medio líquido (solvente), genera pequeñas burbujas de gas o vapor llamadas burbujas de cavitación. Estos crecen con el tiempo hasta alcanzar un tamaño crítico donde implosionan (colapsan), creando, según la teoría de los puntos calientes, condiciones de presión y temperatura extremas ( 4.500 a 5.000 ° C y 1700 atm ). Esta implosión proporciona la energía necesaria para las transformaciones químicas.
También observamos la formación de burbujas de cavitación en infrasonido , el rango de frecuencia de audio (in) ( 16 Hz a 18 kHz ), hasta 3 MHz , donde la cavitación ya no es posible. Por tanto, la ecoquímica no se limita a la ecografía.
Instrumentación
Los experimentos de ecoquímica se pueden realizar de dos formas:
- utilizando un baño ultrasónico (generalmente operando a 20 kHz ). Para ello, el reactor (matraz, vaso de precipitados, etc.) que contiene los reactivos se coloca en el agua del tanque del baño ultrasónico. De los transductores colocados en el fondo del tanque emiten ondas por piezoelectricidad . Las ondas así formadas se propagan a través del agua y luego a través del solvente de reacción donde tienen lugar las transformaciones químicas;
- gracias a un sonotrodo (generalmente opera entre 20 y 200 kHz ). Para ello, la punta del sonotrodo se sumerge directamente en la solución que contiene los reactivos, aproximadamente a 1 cm por debajo de la superficie y a 1 cm de las paredes del reactor para evitar arcos eléctricos. Las ondas se transmiten directamente a la solución, lo que hace que el sonotrodo sea más eficiente que el baño ultrasónico.
Reacciones químicas
Si la explicación de los procesos de activación sonoquímica proviene de un estudio físico del sistema, la sonochime es ante todo un proceso químico.
La etapa de activación
Las condiciones extremas de presión y temperatura en solución debido a la implosión de las burbujas de cavitación permiten la formación de radicales hidroxilo altamente reactivos.
Los radicales hidroxilo se distinguen por un poder oxidante muy alto: E ° (HO., H 2 O) = 2,76. Una vez en solución su vida útil es muy baja (del orden de un nanosegundo), de hecho el radical reacciona inmediatamente con cualquier reactivo en su entorno. Estas propiedades son tan específicas que son todos los procesos de oxidación avanzados los que tienen como objetivo la formación de estas moléculas. Una de las aplicaciones directas es la degradación de contaminantes refractarios.
Reacciones y modificaciones del sustrato
El uso de ultrasonidos permite, dependiendo de las reacciones, obtener resultados diferentes a los obtenidos por el método tradicional, el calentamiento. Entre estos efectos, hay una mejora en el rendimiento de la reacción, una reducción en el tiempo de reacción o un cambio en la regioselectividad de la reacción.
Uno de los ejemplos típicos de selectividad implica la reacción de ácido nítrico con alcoholes. La agitación mecánica produce el éster nítrico mientras que la sonicación produce un ácido carboxílico.
Las ventajas de la sonoquímica
La particularidad de la sonoquímica es la ausencia de reactivos introducidos en solución. La ecoquímica, que a veces se considera demasiado cara a escala industrial, se acopla muy fácilmente a otros procesos. El acoplamiento más común es el del proceso electro- Fenton .
Aplicaciones industriales
La sonoquímica tiene muchas aplicaciones industriales: envejecimiento artificial del vino , control de la contaminación, descontaminación, extracción en profundidad de la superficie de los materiales, selección de tumores cancerosos .
Revistas científicas
Muchas revistas científicas informan sobre los efectos del ultrasonido en las reacciones químicas. La revista Ultrasonics Sonochemistry se especializa en la publicación de artículos sobre el uso del ultrasonido para aplicaciones químicas o físicas.
Notas y referencias
- " Lexicon of cavitation " , en perso.mines-albi.fr (consultado el 25 de octubre de 2018 )
- Giancarlo Cravotto y Pedro Cintas, Chem. Soc. Rvdo. , 2006, 35, 180-196
- (in) Sr. Franck-Neumann y P. Geoffroy , " Sonoquímica orgánica: una nueva interpretación y sus consecuencias " , Tetrahedron Letters , vol. 31, n o 29,1990, p. 4121-4124 ( DOI 10.1016 / S0040-4039 (00) 97558-0 )
- Mathieu Vidard , " Cómo la música puede influir en el sabor del queso " , en franceinter.fr ,10 de abril de 2019.
- Oficina editorial , en journals.elsevier.com