1. Окрім температури, тиску, природи
розчинника й іншихфакторів на
перебіг хімічної реакції може
впливати звук. Наведіть декілька
прикладів реакцій, що ініціюються
звуком. Поясніть фізико-хімічну
природу цього явища. Обговоріть
можливість зміни швидкості і
напряму реакції при використанні
звуку різної частоти та інтенсивності.
(обласний турнір юних хіміків 2014-2015 н.р.)

2. Звукохімія (сонохімія) – розділ хімії, який вивчає взаємодію
потужних акустичних хвиль і виникаючі при цьому хімічні та фізико-
хімічні ефекти.
Звукохімія досліджує кінетику і механізм звукохімічних
реакцій, що відбуваються в звуковому полі. Також, до області
звукохімії відносяться такі фізико-хімічні процеси як:
- сонолюмінесценсія (випромінювання світла кавітаційними
бульбашками);
- диспергування (подрібнення твердих частин у рідині);
- емульгування (змішування рідин, що не змішуються).
Вперше вплив звукових хвиль на протікання хімічних процесів
було відкрито в 1927р. вченими Річардсом і Луміс. Вони виявили,
що під дією ультразвуку відбувається розклад йодиду калію у
водному розчині, внаслідок чого виділяється молекулярний йод.
У 1933 році вчені виявили, що при дії ультразвуку на воду, в
якій розчинений азот, утворюється азотиста кислота (HNO2) і амоніак
(NH3).
В 1964р. Маргуліс, Сокольська і Ельпінер здійснили
звукохімічну реакцію стерео ізомеризації мамінової кислоти та її
ефірів у фумарову, яка іде по ланцюговому механізму.

3. Класифікація звукохімічних реакцій
Звукохімія поділяється на дві великі галузі:
- молекулярна акустика;
- квантова акустика.
Молекулярна акустика вивчає взаємодію слабких акустичних
хвиль з речовиною, що зазвичай, не приводить до звукохімічних
реакцій.
Квантова акустика базується на взаємодії звукових квантів
(фононів) з ядрами атомів та електронами, що призводить до
проходження хімічних реакцій. Саме такі реакції називають
звукохімічними. Таку назву вони одержали через те, що відбуваються
тільки під дією акустичних коливань певного звукового діапазону
(від 10 кГц до 10 МГц).
До таких реакцій відносяться:
1. Оксидно-відносні реакції, що відбуваються в рідкій фазі між
розчиненими речовинами і продуктами ультразвукового
розщеплення води, що виникають в кавітаційних бульбашках.
2. Реакції в середині бульбашок між розчиненими газами.
Наприклад, синтез оксидів азоту при впливі ультразвуку на
воду, в якій розчинене повітря.
3. Ланцюгові реакції в розчині, які ініціюються не радикальними
продуктами розщеплення води, а іншою речовиною, яка
розщеплюється в кавітаційній бульбашці. Наприклад,
ізомеризація мамінової кислоти в фумарову, що ініціюється
бромом.
4. Реакція за участю макромолекул. Наприклад, розклад
макромолекул крохмалю, желатину чи полістиролу на менші
молекули і подальша їх полімеризація.
5. Ініціювання ультразвуком вибуху в рідких або твердих вибухових
речовинах. Наприклад, в нітриді йоду, тетранітрометані або
тринітротолуолі.
6. Звукохімічні реакції в неводних системах. Деякі з цих реакцій:
- піроліз і окиснення насичених вуглеводів;
- окиснення аліфатичних альдегідів і спиртів;

4. - димерилізація і олігомеризація кремній- та оловоорганічних
сполук;
- алкілування органічних сполук;
- синтез нетрилів;
- реакція Ульмана;
- реакція Вюнца та ін..

5. Фізико-хімічна природа
звукохімічної реакції
Звукохімічні реакції ініціюються звуковими хвилями
ультразвукового діапазону від 10 кГц до 10 МГц. У діапазоні вище 1
ГГц (гіперзвук) звукохімічні реакції не відбуваються.
Звукохімічні реакції супроводжуються явищем КАВІТАЦІЇ.
Кавітація – це утворення всередині рідин порожнин, заповнених
газом або парою. Це явище зумовлене зниженням тиску в рідині.
Ці порожнини назвали кавітаційними бульбашками, а процес їх
лускання – колапсом.
Саме завдяки лусканню (колапсу) бульбашок проходить
звукохімічна реакція. Розглянемо як саме. Під дією ультразвуку даної
частоти відбувається утворення бульбашок, яке змінює характер
рідини і викликає зниження тиску. А всередині бульбашок виникають
дуже високі тиски і температури. Внаслідок тріскання бульбашок
(воно відбувається протягом мікросекунд) виникають різкі перепади
тиску, а це, в свою чергу призводить до виникнення ударних хвиль та
виділення енергії. Ця енергія і є рушійною силою у звукохімічних
реакціях. Саме ця енергія витрачається на збудження і дисоціацію
молекул води і газів, що містяться в порожнинах бульбашок. При
трісканні пухирця в розчин переходять радикали Н∙, ОН∙, О∙, Н2О2,
що утворюються при розщепленні молекул Н2О. Потім ці активні
частинки переходять у розчин і реагують з розчиненими речовинами.
Отже, вплив ультразвукових коливань на водні розчини
зводяться до процесу розщеплення молекул води в кавітаційних
бульбашках.

6. Фактори, що впливають на зміну
швидкості звукохімічної реакції
Багатьма дослідженнями було доведено, що на швидкість
протікання звукохімічної реакції впливає частота звукового діапазону
та тиск.
Якщо звуковий діапазон менше 10 кГц – реакція не
відбувається, тому, що не утворюються кавітаційні бульбашки.
При збільшенні діапазону до 10 – 20 кГц утворюються великі
деформовані кавітаційні бульбашки, які володіють малою енергією,
якої не достатньо для прискорення звукохімічної реакції.
При ще більшому зростанні частоти діапазону великі бульбашки
розпадаються на малі кавітаційні бульбашки. Саме вони володіють
високими тисками і температурами, тому при їх трісканні виділяється
велика кількість енергії, яка і витрачається на розклад води з
утворенням радикалів. В свою чергу радикали ініціюють
проходження того чи іншого фізико-хімічного процесу.
При ультразвуковому діапазоні вище 1 ГГц (гіперзвук)
звукохімічні реакції не проходять взагалі.
Отже, на протікання і швидкість звукохімічної реакції впливає
частота та інтенсивність звукового діапазону. При збільшенні частоти
звуку в діапазоні від 10 кГц до 10 МГц прямопропорційно зростає і
швидкість реакції. На проходження і швидкість звукохімічної реакції
впливає і тиск.
При зниженні тиску спостерігається злиття малих бульбашок до
великої деформованої кавітаційної бульбашки. Отже, швидкість
реакції зменшується.
В свою чергу застосування надлишкового тиску дає можливість
збільшити утворення малих кавітаційних бульбашок, отже, збільшити
швидкість проходження прямої хімічної реакції. (Принцип Ле-
Шательє).
Регулюючи тиск можна змінювати швидкість потоку рідини,
цим самим змінюючи час утворення кавітаційних бульбашок різного
розміру.

7. Використання звукохімічних реакцій
Особливу роль звукохімічні реакції відіграють в медицині. Їх
використовують для дроблення каменів у нирках, жовчному і
сечовому міхурі без хірургічного втручання. Також, вони
використовуються при ліпосакції (виведення жирових клітин) для
боротьби з целюлітом. При виготовленні військових
суперкавітаційних торпед. Ці торпеди обволікаються у великі
кавітаційні бульбашки, а це істотно зменшує контакт з водою і
збільшує швидкість їх пересування.
Звукохімічні реакції використовуються при ультразвуковому
очищенні поверхонь твердих тіл. Кавітаційні бульбашки лускаються,
утворюючи ударні хвилі, які руйнують частинки забруднень. Завдяки
цьому знижується потреба в небезпечних і шкідливих для здоров’я
миючих засобів.
У промисловості звукохімічні реакції використовують для
змішування і відсадження частинок у сумішах фарб або молоці.
Кавітаційні процеси мають високу руйнівну силу, яку
використовують для дроблення твердих речовин, що містяться у
рідині. Одним із застосувань таких процесів є подріблення твердих
включень у паливі, яке використовується для обробки котельного
палива, з метою підвищення його якості.
Останнім часом проводиться ряд досліджень по виготовленню
систем опалення для будинків, дія яких базується на використанні
звукохімічних реакцій. Саме такі системи опалення є
найекономнішими.