選修課論文封面

選修課論文封面xxxxxxxx大學(xué)選修課程結(jié)業(yè)論文課程名稱xxxxxxxxxX任課老師xxxx學(xué)院xxxxxx班級(jí)xxxxxxx姓名xxxx學(xué)號(hào)xxxxxxxO引言超聲化學(xué)(Sonochemistry)是聲學(xué)與化學(xué)互相穿插浸透而發(fā)展起來的~l'-I新興邊緣學(xué)科，是聲學(xué)與化學(xué)的前沿學(xué)科之一。超聲化學(xué)主要是利用超聲波加速化學(xué)反響提高化學(xué)產(chǎn)率的一門學(xué)科。利用超聲波能夠加速和控制化學(xué)反響、提高反響產(chǎn)率、改變反響歷程和改善反響條件以及引發(fā)新的化學(xué)反響等。1超聲化學(xué)的發(fā)展史1895年，qlaormycmft和Bamaby觀察到潛水艇螺旋槳凹陷被侵蝕時(shí)發(fā)表了第一個(gè)關(guān)于空化的報(bào)告；1927年，loomis初次報(bào)道超聲在化學(xué)和生物方面加快反響速率的效應(yīng)；1934年，發(fā)現(xiàn)超聲能加大電解水的速率；1944年，Harvery等引入了校正擴(kuò)散的概念，即微氣泡的成長(zhǎng)是由于氣泡振動(dòng)經(jīng)過中跨過界面非等量的傳質(zhì)引起的；1950年，Noltingk和Neppiras對(duì)模擬空化氣泡第一次用計(jì)算機(jī)進(jìn)行了計(jì)算；1964年，F(xiàn)lyrm提出了“瞬態(tài)空化〞和“穩(wěn)態(tài)空化〞的術(shù)語(yǔ)；1980年，Neppiras初次在聲空化的綜述中使用了超聲化學(xué)(sonochemistry)的術(shù)語(yǔ)；1982年，Milino等人用自旋捕獲和電子自旋共振譜(ESR)驗(yàn)證了在水超聲裂解中構(gòu)成氫自由基和羥基自由基；1986年4月8～11日，第一屆國(guó)際聲化學(xué)學(xué)術(shù)討論會(huì)在英國(guó)Warwick大學(xué)召開，它標(biāo)志著這門新興的學(xué)科的誕生；經(jīng)過幾年的研究和發(fā)展，于1991年聲化學(xué)專著(PracticalSonochemistry))發(fā)行；1992年，第一部聲化學(xué)中文專著（聲化學(xué)及其應(yīng)用）已出版；1994年第一個(gè)學(xué)術(shù)刊物(Ultrasonicssonoehemistry)JE式出版發(fā)行了。2超聲波的作用機(jī)理超聲化學(xué)主要源于聲空化一液體中空腔的構(gòu)成、振蕩、生長(zhǎng)收縮及崩潰，以及引發(fā)的物理和化學(xué)變化。液體聲空化經(jīng)過是集中聲場(chǎng)能量并迅速釋放的經(jīng)過。空化泡崩潰時(shí)，在極短時(shí)間和空化泡的極小空間內(nèi)，產(chǎn)生5000K以上的高溫和大約5.05×108Pa的高壓，速度變化率高達(dá)1010Ks，并伴隨產(chǎn)生強(qiáng)烈的沖擊波和時(shí)速高達(dá)400km的微射流，這就為在一般條件下難以實(shí)現(xiàn)或不能實(shí)現(xiàn)的化學(xué)反響，提供了一種新的非常特殊的物理環(huán)境，開啟了新的化學(xué)反響通道。其現(xiàn)象包括兩個(gè)方面，即強(qiáng)超聲在液體中產(chǎn)生氣泡和氣泡在強(qiáng)超聲作用下的特殊運(yùn)動(dòng)。在液體內(nèi)施加超聲場(chǎng)，當(dāng)超聲強(qiáng)度足夠大時(shí)，會(huì)使液體中產(chǎn)生成群的氣泡，成為“聲空化泡〞，這些氣泡同時(shí)遭到強(qiáng)超聲的作用，在經(jīng)歷聲的稀疏相和壓縮相時(shí)，氣泡生長(zhǎng)、收縮、再生長(zhǎng)、再收縮，經(jīng)太多次周期性振蕩，最終以高速度崩裂。在其周期性振蕩或崩裂經(jīng)過中，會(huì)產(chǎn)生短暫的局部高溫、高壓、加熱和冷卻的速率大于1010Ks，并產(chǎn)生強(qiáng)電場(chǎng)，進(jìn)而引發(fā)很多力學(xué)、熱學(xué)、化學(xué)、生物等效應(yīng)。反響體系的環(huán)境條件會(huì)極大地影響空化的強(qiáng)度，而空化強(qiáng)度則直接影響到反響的速率和產(chǎn)率。這些環(huán)境條件包括反響溫度、液體的靜壓力、超聲輻射頻率、聲功率和超聲強(qiáng)度。另外，溶解氣體的種類和數(shù)量、溶劑的選擇、樣品的制備以及緩沖劑的選擇對(duì)空化強(qiáng)度也有很大影響。超聲波可改變液體，固體發(fā)生化學(xué)反響的途徑，它所產(chǎn)生的高溫、高壓可使聲化學(xué)通過一條不同尋常的途徑來促進(jìn)聲能量和物質(zhì)的互相作用。超聲波能量能加速和控制化學(xué)反響，提高反響產(chǎn)率和引發(fā)新的化學(xué)反響。超聲作為一種特殊的能量作用形式，與熱能、光能和離子輻射能有顯著的區(qū)別。超聲空化作用時(shí)間短，釋放出高能量。例如，在高溫條件下，有利于反響物種的裂解和自由基的構(gòu)成，進(jìn)而構(gòu)成了更為活潑的反響物種，有利于二次反響的進(jìn)行，提高了化學(xué)反響的速率。同時(shí)，氣泡崩潰時(shí)產(chǎn)生的高壓，一方面，有利于高壓氣相中的反響，另一方面，由于高壓存在導(dǎo)致的沖擊波和微射流現(xiàn)象，在固液體系中起到很好的沖擊作用，十分是導(dǎo)致分子間強(qiáng)烈的互相碰撞和聚集，對(duì)固體外表形態(tài)、外表組成都有極為重要的作用?？傊?，超聲對(duì)于化學(xué)反響的影響，并不是直接作用于分子，而是間接地影響化學(xué)反響。3超聲化學(xué)的主要應(yīng)用領(lǐng)域目前，超聲波的研究已涉及到化學(xué)、化工的各個(gè)領(lǐng)域，如有機(jī)合成、電化學(xué)、光化學(xué)、分析化學(xué)、無機(jī)化學(xué)、高分子材料、環(huán)境保護(hù)、生物化學(xué)等，我國(guó)的有關(guān)學(xué)者在超聲化學(xué)的基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究方面也做了大量的工作，近年來，超聲化學(xué)在物質(zhì)合成、催化反響、水處理、廢物降解、納米材料等方面的研究已成為超聲化學(xué)重要的應(yīng)用研究領(lǐng)域。由于聲能具有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，無二次污染、設(shè)備簡(jiǎn)單、應(yīng)用面廣，所以遭到人們?cè)絹碓蕉嗟年P(guān)注，超聲化學(xué)已成為一個(gè)蓬勃發(fā)展的應(yīng)用研究領(lǐng)域。3．1超聲波在有機(jī)合成中的應(yīng)用超聲波初次應(yīng)用于有機(jī)化學(xué)反響的報(bào)道是在1938年。80年代以來，隨著聲化學(xué)的發(fā)展，超聲波在有機(jī)合成中的應(yīng)用研究呈蓬勃發(fā)展之勢(shì)，已被廣泛應(yīng)用于氧化反響、復(fù)原反響、加成反響、取代反響、縮合反響、水解反響等，幾乎涉及有機(jī)化學(xué)的各個(gè)領(lǐng)域。第一部聲化學(xué)應(yīng)用于有機(jī)合成方面的專著（Syntheticorganicsonochemistry）已于1998年發(fā)行。超聲波在有機(jī)合成中的應(yīng)用是非常廣泛的。例如，對(duì)羥基苯甲醛在傳統(tǒng)的制備方法中收率為58％，而在超聲波作用下，收率為94％；超聲波對(duì)液一液多相的影響，主要是空化作用在兩相界面體現(xiàn)的宏觀效果，類似又好過相轉(zhuǎn)移催化劑的作用；超聲波還能夠使一些難以進(jìn)行的化學(xué)反響得以實(shí)現(xiàn)，例如，AthertonTodd反響是亞磷酸酯在堿存在下于cc14溶劑中對(duì)胺進(jìn)行磷酰化，肟和亞胺也能在該條件下進(jìn)行磷?；?，然而醇卻不能進(jìn)行，在超聲波輻射下，醇也能很順利進(jìn)行磷酰化，收率86％～92％。另外，超聲波輻射能加速各種有機(jī)均相及異相反響，十分是金屬介入的反響。例如，在芳香族羰基化合物復(fù)原偶聯(lián)成鄰二叔醇的反響的傳統(tǒng)方法中，反響不僅不易進(jìn)行，操作費(fèi)事，而且需用過量的金屬或復(fù)原劑，易引起環(huán)境和生物化學(xué)問題。銦在水中有很強(qiáng)的穩(wěn)定性，在超聲波作用下于水溶液中，以銦為復(fù)原劑，由芳香醛復(fù)原偶合制備鄰二叔醇得到很好效果。又如，以苯甲醛為底物反響8h，收率70.3％，在無超聲波作用下反響48h，收率才20％。利用超聲波對(duì)催化劑Pt／Al2O3預(yù)輻射之后，催化氫化三氟甲基酮，主要產(chǎn)物是R一醇。對(duì)于1，1，1一三氟苯乙酮，經(jīng)超聲波輻射催化劑10min，于鄰二氯苯中400％時(shí)氫化20min，e，e一異構(gòu)體的產(chǎn)率由20％提高到49％，與未經(jīng)超聲波預(yù)處理催化劑相比，氫化率提高了1。1～1。2倍?？梢?，在超聲波作用下，可得到高選擇性的產(chǎn)物。近幾年來，超聲波在有機(jī)合成方面獲得了很多新進(jìn)展，不僅改進(jìn)了一些已知反響，而且發(fā)現(xiàn)了新反響。十分應(yīng)該重視的是近來已有一些專利報(bào)道，隨著超聲設(shè)備的改良與完善，已應(yīng)用于化工生產(chǎn)。3.2超聲波在催化化學(xué)研究中的應(yīng)用催化反響包括均相催化反響和多相催化反響。在反響中，怎樣使催化劑活化以及長(zhǎng)時(shí)間地保持催化劑的活性，一直是一個(gè)亟待解決的難題。利用超聲的空化作用以及在溶液中構(gòu)成的沖擊波和微射流，可提高很多化學(xué)反響的反響速度，改善目的產(chǎn)物的選擇性，改善催化劑的外表形態(tài)，大幅度地提高其活化反響性，提高催化活性組分在載體上的分散性等。研究表明，超聲催化能在低溫下保持基質(zhì)的熱敏性并增加選擇性，得到在光解和普通熱解情況下不易得到的高能物種并實(shí)現(xiàn)微觀水平上的高溫高壓條件。超聲波對(duì)催化反響的作用主要是：(1)高溫高壓條件有利于反響物裂解成自由基和二價(jià)碳，構(gòu)成更為活潑的反響物種；(2)沖擊波和微射流對(duì)固體外表(如催化劑)有解吸和清洗作用，可去除外表反響產(chǎn)物或中間物及催化劑外表鈍化層；(3)沖擊波可能毀壞反響物構(gòu)造；(4)分散反響物系；(5)超聲空蝕金屬外表，沖擊波導(dǎo)致金屬晶格的變形和內(nèi)部應(yīng)變區(qū)的構(gòu)成，提高金屬的化學(xué)反響活性；(6)促使溶劑深化到固體內(nèi)部，產(chǎn)生所謂的夾雜反響；(7)改善催化劑分散性。在超聲均相催化反響中，研究較多的是金屬羰基化合物作為催化劑的烯烴異構(gòu)化反響。著名的聲化學(xué)家Suclick等具體研究了超聲條件下以Fe(CO)5為催化劑的1一戊烯異構(gòu)化生成2一戊烯的反響，發(fā)現(xiàn)超聲條件下的的反響速率比沒有超聲時(shí)增加了105倍。Suclik等分析以為，超聲空化氣泡崩潰時(shí)產(chǎn)生的高溫高壓以及周圍環(huán)境的快速冷卻有利于Fe(CO)5解離，構(gòu)成更高活性物種Fe3(CO)12。在研究了超聲對(duì)多相催化經(jīng)過的影響中發(fā)現(xiàn)超聲能使單程轉(zhuǎn)化率提高近10倍，其原因是增加了催化劑的分散度?？疾斓蛷?qiáng)度超聲(≤10W/cm2)作用下Reformatsky反響，發(fā)如今超聲30min后，反響產(chǎn)率到達(dá)90％以上。Suslick等在聲強(qiáng)為50W／c~條件下研究了此反響，結(jié)果發(fā)如今25℃時(shí)該混合物超聲5min后，產(chǎn)率可達(dá)95％以上，同時(shí)發(fā)現(xiàn)助催劑在此對(duì)產(chǎn)率和反響時(shí)間并無影響。Suslick等具體研究了鎳粉作為催化劑的加氫反響，發(fā)如今超聲作用下其反響活性提高了5個(gè)數(shù)量級(jí)。超聲波在催化劑的活化、再生和制備中也顯示出獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。美國(guó)伊利諾斯大學(xué)研制成功一種超聲波洗滌浴，可用于除去鎳粉外表的氧化膜，使鎳催化劑活化。3.3超聲波在電化學(xué)研究中的應(yīng)用超聲在電化學(xué)中的應(yīng)用主要有超聲電分析化學(xué)、超聲電化學(xué)發(fā)光分析、超聲電化學(xué)合成、超聲電鍍等，超聲與電化學(xué)的結(jié)合具有很多潛在的優(yōu)點(diǎn)：電極外表的清洗和除氣；電極外表的去鈍化，電極外表的侵蝕；加速液相質(zhì)量傳遞；加快反響速率；加強(qiáng)電化學(xué)發(fā)光；改變電合成反響的產(chǎn)率等。(1)電極經(jīng)過動(dòng)力學(xué)的研究——超聲伏安法超聲伏安法即在超聲存在下進(jìn)行的伏安法，它是研究電化學(xué)經(jīng)過強(qiáng)有力的工具。其優(yōu)點(diǎn)有：超聲輻射使電極外表附近電活性物質(zhì)和產(chǎn)物的質(zhì)量傳遞大大加快；超聲通過在水聲解經(jīng)過中構(gòu)成的高活性自由基，如羥基自由基和氫自由基改變化學(xué)和電化學(xué)反響的機(jī)理；在超聲存在下，電化學(xué)反響中涉及到的組分的吸附被減弱；超聲輻射能連續(xù)地使電極外表活化。使用與超聲相連的微電極能夠到達(dá)極高的傳質(zhì)速率，超聲的任何影響都集中在與電極外表沖擊的霎時(shí)，使超聲對(duì)電極經(jīng)過的影響的研究更接近實(shí)際。傳質(zhì)速率的加強(qiáng)可歸于兩個(gè)瞬態(tài)經(jīng)過：①氣泡在固液界面或附近崩潰是由于直接作用于電極外表高速液體微射流構(gòu)成的結(jié)果；②電極擴(kuò)散層中或附近氣泡的移動(dòng)中，產(chǎn)生質(zhì)量傳遞的瞬態(tài)高速。(2)超聲伏安分析法超聲伏安分析法的研究主要是基于超聲加快液相傳質(zhì)來提高靈敏度；基于電極的預(yù)處理和活化電極外表、提高重現(xiàn)性以及非均勻樣品中的超聲電化學(xué)分析等。超聲伏安分析法在非均勻相樣品中的應(yīng)用具有廣闊的前景，高濃度的蛋白質(zhì)、多糖和脂肪在電極上的吸附嚴(yán)重污染電極，使電極的靈敏度和重現(xiàn)性大大降低，在非均勻體系中，由于在超聲的作用下電極外表不斷的更新，電極的鈍化作用被減弱。由于超聲誘導(dǎo)聲流動(dòng)空化，在電極和溶液界面產(chǎn)生高速微射流，通過使電極的腐蝕而使電極的鈍化作用被減弱。Davis和Compton將超聲與線形掃描技術(shù)結(jié)合，建立了超聲電化學(xué)分析應(yīng)用于復(fù)雜基體如非均勻相雞蛋中亞硝酸鹽的測(cè)定，可免去樣品的預(yù)處理。(3)超聲電化學(xué)發(fā)光分析電化學(xué)發(fā)光經(jīng)過是電極反響產(chǎn)物之間或電極產(chǎn)物與體系中某組分進(jìn)行化學(xué)反響所產(chǎn)生的一種光輻射經(jīng)過。在電化學(xué)發(fā)光研究中存在很多問題，如電極污染嚴(yán)重和發(fā)光效率低等。將超聲技術(shù)與電化學(xué)發(fā)光連用，不僅能夠提高電化學(xué)發(fā)光分析的靈敏度，而且克制了上述缺點(diǎn)。3.4超聲波降解作用的應(yīng)用超聲波降解作用主要指對(duì)有機(jī)聚合物的降解作用及在水污染物處理經(jīng)過中的應(yīng)用。影響聲解效率的因素主要有三個(gè)：(1)超聲系統(tǒng)因素，包括頻率和聲強(qiáng)。(2)化學(xué)因素包括溶劑、溶液中飽和氣體的種類、有機(jī)物的種類和濃度、自由基去除劑及pH值等。(3)與反響器有關(guān)的因素包括反響器的構(gòu)造、反響器內(nèi)能否建立起混響場(chǎng)和外部能否施加壓力。超聲處理能夠降解大分子，尤其是處理高分子量聚合物的降解效果更顯著。纖維素、明膠、橡膠和蛋白質(zhì)等經(jīng)超聲處理后都可得到很好的降解效果。目前對(duì)超聲降解機(jī)理一般以為超聲降解的原因是由于遭到力的作用以及空化泡爆裂時(shí)的高壓影響，另外部分降解可能是來自熱的作用。例如，在超聲波作用下水中微量亞甲基藍(lán)可有效降解，降解動(dòng)力學(xué)符合一級(jí)反響，亞甲基藍(lán)超聲降解速率隨初始濃度的升高而降低，隨介質(zhì)溫度的下降而升高。亞甲基藍(lán)在酸性和堿性條件下的降解速率高于中性條件下的降解速率。能促進(jìn)OH等自由基構(gòu)成的自由基促進(jìn)劑Fe2+和I--等可有效加速亞甲基藍(lán)的超聲降解。超聲技術(shù)應(yīng)用于水污染物中的難降解有毒有機(jī)污染物時(shí)，主要是當(dāng)超聲波照射水體環(huán)境時(shí)，其高能量的輸出將產(chǎn)生渦漩氣泡，而氣泡內(nèi)部的高溫高壓狀態(tài)，可將水分子分解生成強(qiáng)氧化性的氫氧自由基，這些自由基對(duì)于各種有機(jī)物都有很高的反響速率，可將其氧化分解成其它較簡(jiǎn)單的分子，最終生成CO2和H20。大量的事實(shí)表明，聲化學(xué)處理方法在治理廢水中難生物降解有毒有機(jī)污染物方面行之有效。對(duì)于有機(jī)相水相的多相反響體系，利用超聲波照射時(shí)，被乳化的液體通過交織時(shí)間的接觸面積，快速進(jìn)行反響，甚至在沒有催化劑的條件下也能發(fā)生反響。有機(jī)物經(jīng)超聲處理后的分解產(chǎn)物與高溫燃燒處理類似。3．5超聲波在納米材料制備中的應(yīng)用由于納米材料具有很多不同于本體材料的優(yōu)良性能，因而納米材料的制備與應(yīng)用是近年來材料科學(xué)研究的熱門。聲空化所引發(fā)的特殊的物理、化學(xué)環(huán)境已為科學(xué)家們制備納米材料提供了重要的理論根據(jù)。超聲化學(xué)法是一種制備特異性能納米材料的有效途徑。超聲波對(duì)反響體系的作用主要表如今：利用超聲能量進(jìn)行分散；利用空化經(jīng)過進(jìn)行高溫分解；利用剪切破碎機(jī)理對(duì)顆粒尺寸進(jìn)行控制；利用機(jī)械攪動(dòng)影響沉淀的構(gòu)成經(jīng)過。超聲化學(xué)法在制備納米金屬及合金、納米金屬氧化物及其它納米金屬化合物等方面都得到廣泛應(yīng)用。用聲化學(xué)分解高沸點(diǎn)溶劑中的揮發(fā)性有機(jī)金屬前體時(shí)，能夠得到具有高催化性能的各種形式的納米構(gòu)造材料。在制備方法上主要有：超聲霧化分解法、金屬有機(jī)物超聲分解法、化學(xué)沉淀法和聲電化學(xué)法等。十分在超聲電沉積法制備納米粉體新技術(shù)及超聲制備無機(jī)一有機(jī)納米復(fù)合材料等方面更有其發(fā)展前景。3．6超聲波在超臨界流體化學(xué)反響中的應(yīng)用新型化學(xué)反響技術(shù)和超聲場(chǎng)強(qiáng)化相結(jié)合是超聲化學(xué)領(lǐng)域中又一極具潛力的發(fā)展方向。超臨界流體具有類似于液體的密度和類似于氣體的粘度和擴(kuò)散系數(shù)，這使得其溶解相當(dāng)于液體，傳質(zhì)能力相當(dāng)于氣體。利用超臨界流體良好的溶解性能和擴(kuò)散性能，能夠很好地改善非均相催化劑的失活問題，但如能加以超聲場(chǎng)進(jìn)行強(qiáng)化，則無疑是錦上添花。超聲空化產(chǎn)生的沖擊波和微射流不但能夠極大地加強(qiáng)超臨界流體溶解某些導(dǎo)致催化劑失活的物質(zhì)，起到解吸和清洗的作用，使催化劑長(zhǎng)時(shí)間保持活性，而且還有攪拌的作用，能分散反響物系，令超臨界流體化學(xué)反響傳質(zhì)速率更上一層樓。另外，超聲空化構(gòu)成的局部點(diǎn)高溫高壓將有利于反響物裂解成自由基，大大加快反響速率。目前對(duì)超臨界流體化學(xué)反響研究較多，但利用超聲場(chǎng)強(qiáng)化此類反響的研究極少。另外，超聲波在其它很多領(lǐng)域都得到廣泛應(yīng)用，例如，超聲強(qiáng)化萃取和超聲強(qiáng)化結(jié)晶。超聲強(qiáng)化萃取分為固一液萃取和液一液萃取。超聲強(qiáng)化固一液萃取可應(yīng)用于從中藥中提取生產(chǎn)水楊酸、氯化黃連素、巖白菜寧等藥物成分。而對(duì)于一般受傳質(zhì)速率控制的液一液萃取體系來講，超聲波的作用特別顯著，十分在有色冶金工業(yè)中金屬的液液萃取經(jīng)過應(yīng)用適宜的超聲頻率和功率作用時(shí)，能夠大大加強(qiáng)其分解速度和提高萃取速率。此外，超聲化學(xué)技術(shù)在糧油食品的分析測(cè)試、包裝、清洗、枯燥、乳化、陳化、結(jié)晶、分離、萃取、澄清、化學(xué)合成、殺菌、酶研究等方面也有其廣泛應(yīng)用前景。4結(jié)束語(yǔ)超聲化學(xué)的基礎(chǔ)研究和應(yīng)用都已獲得了豐富的成果，但是，還有很多有待研究的課題。研究者已經(jīng)發(fā)如今某些反響體系，超聲能改變化學(xué)反