Erinevus lehekülje "Sonokeemia" redaktsioonide vahel

Eemaldatud 181 baiti ,  2 aasta eest
P
pisitoimetamine using AWB
P (parandasin skripti abil kriipsud + Korrastasin skripti abil viiteid)
P (pisitoimetamine using AWB)
'''Sonokeemia''' on [[keemia]] haru, mis uurib [[ultraheli]] toimel [[Vedelik|vedelikesvedelik]]es tekkivast [[kavitatsioon|akustilisest kavitatsioonist]] tingitud [[Keemiline aktiivsus|keemilise aktiivsuse]] initsieerimist või selle kasvu. Seega ei tulene ultraheli keemilised efektid otsesest vastastiktoimest ultraheli [[Helilaine|helilainetehelilaine]]te ja [[Lahus|lahuseslahus]]es olevate [[Molekul|molekulidemolekul]]ide vahel.
 
Lihtsaim seletus on, et helilained, mis levivad läbi vedeliku ultraheli [[Sagedus|sagedustelsagedus]]tel (20 &nbsp;kHz – 1 &nbsp;MHz), on märkimisväärselt pikema lainepikkusega kui aatomitevahelised sidemed molekulides. Selline helilaine ei saa mõjutada aatomitevaheliste [[Keemiline side|sidemete]] vibratsioonilist [[energia|energiat]]t ning seega ei saa otseselt tõsta molekuli [[siseenergia|siseenergiat]]t.<ref name="suslicksono" /><ref name="suslickbubble" />
 
Sonokeemia põhineb akustilisel kavitatsioonil: vedelikes moodustuvad ultraheli mõjul väikesed mullid, mis kasvavad ning seejärel [[Kollabeerumine|kollabeeruvad]] (varisevad kokku).<ref name="artikkel" /> Nende mullide kollabeerumine on peaaegu [[adiabaatiline protsess]], mille tulemusena tekib mulli sisse tohutu energia. Suur energiahulk mulli sisemuses tähendab aga äärmiselt kõrget [[Temperatuur|temperatuuritemperatuur]]i ning [[Rõhk|rõhkurõhk]]u vedeliklahuse ühes mikroskoopilises regioonis. Mulli kollabeerumise hetkel kavitatsioonimulli sees või läheduses olnud aine [[Reaktsioonivõime|keemiline reaktiivsus]] tõuseb kõrge temperatuuri ja rõhu tõttu. Kavitatsiooniga võivad kaasneda muud nähtused, näiteks [[sonoluminestsents]], vabade [[radikaal|radikaalide]]ide tekkimisel esile kutsutud [[Ahelreaktsioon (keemia)|ahelreaktsioonid]], uute üsnagi stabiilsete ühendite teke (näiteks [[Vesinikperoksiid|vesinikperoksiidivesinikperoksiid]]i formatsioon kahest [[Hüdroksüülradikaal|hüdroksüülradikaalisthüdroksüülradikaal]]ist) jne.
 
== Ajalugu ==
[[Pilt:Cavitation Propeller Damage.JPG|pisi|120x120px|Kavitatsiooni põhjustatud kahjustused.|vasakul]]
19.–20. sajandi vahetusel kirjeldasid kavitatsiooni [[Sir John Isaac Thornycroft]] ja [[Sidney Barby]]. Neid kutsuti uurima äsja valminud sõjalaeva H.M.S Daringi probleemset sõukruvi. See oli külge seatud asendis, mis lasi tekkida kavitatsioonil. Kiirel liikumisel kahjustas see sõukruvi ning selle labasid tugevalt.<ref name="teineraamat" />
 
[[Pilt:Single bubble cropped.jpg|120x120px|pisi|Üksiku kavitatsioonimulli sonoluminestsents (üksik kollabeeruv mull).]]
Ultrahelilainete läbi vedeliku levimist ning selle mõju kirjeldasid esimesena [[Robert Williams Wood]] (1868–1955) ja [[Alfred Lee Loomis]] (1887–1975) 1927. aastal. Nad uurisid oma eksperimendis, millisel sagedusel tungiksid helilained läbi veebarjääri. Wood ja Loomis jõudsid järeldusele, et [[heli]] liigub kiiremini vees kui õhus, kuid kuna vee [[tihedus]] võrreldes Maa [[Atmosfäär|atmosfäärigaatmosfäär]]iga on erinev, oli äärmiselt raske helilaineid vette saada. Pärast pikka uurimist leidsid nad selleks efektiivsema mooduse. Selleks tuli koos valju heliga tekitada ka väikseid mullikesi, mis justkui transportisid helilaineid vette. Teisalt oli üheks lihtsaimaks viisiks heli vettesaamisel karjumine. Kuna sonokeemia oli tol ajal üsna tundmatu valdkond, siis jäi ka nende samal teemal avaldatud artikkel märkimisväärse tähelepanuta.<ref name="ajalugu" />
 
1933. aastal avastati sonoluminestsentsi nähtus. Kuna kavitatsioonimulli kollabeerumine on laetud väga suure hulga energiaga, siis võib mull lühiajaliselt emiteerida hästi nõrka ning heledat valgust, mis on sähvatusena nähtav ka inimsilmale.<ref name="punane" />
Kui vedelikku kiiritada võimsa heli või ultraheliga, tekib lahuses nähtus nimetusega kavitatsioon. Mullid formeeruvad, kasvavad ning seejärel kollabeeruvad, mille tagajärjel tekib tohutu energia.<ref name="artikkel" /> See energia tuleb mulli sisu soojendamiseks vedeliku osakeste [[Kineetiline energia|kineetilise energia]] muundumisest. Kavitatsioonimulli kollabeerumine on kiirem kui [[soojusülekanne]] ning seega tekib lühiajaline lokaliseeritud "kuum-koht" ("hot-spot"). Eksperimentaalandmed näitavad, et nende kavitatsoonimullide [[temperatuur]] on umbes 5000 K, [[rõhk]] umbes 1000 atm ning soojenemis- ja jahtumiskiirused üle 10<sup>10</sup> K/s.<ref name="mullväärtus" /><ref name="mulliväärtus" /> Kavitatsioon tekitab ekstreemsed füüsikalised ja keemilised tingimused muidu jahedates vedelikes.
 
[[Pilt:Kavitatsioonimulli kollabeerumine.png|pisi|Kavitatsioonimulli kollabeerumine tahke aine pinna lähedal ning mikrojoa formatsioon.]]
Kiiritades ultraheliga lahust, mis sisaldab [[Tahke|tahkettahke]]t ainet, võib näha sarnast nähtust. Kui kavitatsioon ilmneb tahke aine pinna lähedal, pole kavitatsioonimull sfäärilise kujuga ning selle kollabeerumisel tekib mikrojuga, mis on suure energiaga ja suunatud tahke aine pinnale.<ref name="artikkel" /> See mikrojuga ja sellega seotud lööklained võivad materjalide pinda [[Erosioon|erodeerida]] või kahjustada, osakesi dispergeerida, muuta [[Reaktsioonivõime|reaktiivsust]] jne. Kavitatsiooni ilmnemisel vedeliku-pulbri [[Suspensioon|suspensioonissuspensioon]]is tekivad lahuse osakeste vahel suure [[Kiirus|kiirusegakiirus]]ega kokkupõrked. Need võivad muuta pindade morfoloogiat, kompositsiooni ja reaktiivsust.<ref name="liquidpowder" />
 
== Sonokeemilised reaktsioonid ==
Sonoluminestsentsi käsitletakse tavaliselt homogeense sonokeemia erijuhtumina.<ref name="sonolumi" /><ref name="sonolumikaks" />
 
Ultraheli võimendab keemilisi reaktsioone ning seda on kasulik rakendada näiteks segafaasilises sünteesis, materjalide keemias ja [[Biomeditsiin|biomeditsiinisbiomeditsiin]]is. Kuna kavitatsioon ilmneb ainult vedelikes, siis tahkete ainete või tahke-gaasi süsteemide kiiritamisel ultraheliga ei ole täheldatud keemilisi reaktsioone.
 
Näiteks [[Keemiline kineetika|keemilises kineetikas]] on leitud, et ultraheli võimendab keemilist reaktiivsust väga paljudes süsteemides ja seda mõnel juhul isegi kuni miljon korda.<ref name="miljon" /> Ultraheli võib käituda nagu [[katalüsaator]], ergastades süsteemi atomaarseid ja/või molekulaarseid olekuid. Reaktsioonides, milles kasutatakse tahkeid aineid, võib ultraheli kavitatsioonimullide kollabeerumisega tahket ainet väiksemaks lõhkuda. See suurendab tahke reagendi reaktiivset pinda, mis omakorda suurendab [[Reaktsioonireaktsiooni kiirus|reaktsiooni kiirust]]t.
 
Sonokeemiliste reaktsioonide puhul kasutatakse ultraheli, mille sagedus jääb enamasti vahemikku 20 &nbsp;kHz – 1 &nbsp;MHz, kuid olenevalt reaktsioonist (või soovitavast tulemusest) rakendatakse ultraheli väga kindlal sagedusel. Aine keemilise reaktiivsuse tõstmiseks kasutatakse enamasti ultraheli, mille sagedus on 20–100 &nbsp;kHz. Radikaalreaktsioonide initsieerimiseks kasutatakse enamasti ultraheli, mille sagedus jääb vahemikku 100–600 &nbsp;kHz.<ref name="uusartikkel" /> Sonoluminestsentsi on aga täheldatud, kasutades ultraheli sagedusega 20 &nbsp;kHz – 2 &nbsp;MHz.<ref name="punane" />
 
Rakendades ultraheli teatud reaktsioonides, on võimalik vähendada ohtlike kemikaalide ning solventide kasutamist, seeläbi lihtsustada protsessi. Samuti vähendada aja ning tööjõu kulu, vältida ekstreemsete tingimuste kasutamist jne. Klassikalise metoodika järgi on vanaadium(III)kloori karbonüülimise reaktsiooniks vaja väga kõrget rõhku (200 atm) ning temperatuuri (160 &nbsp;°C). Kasutades ultraheli, on vajaminevaid tingimusi võimalik drastiliselt vähendada (vastavalt 4,4 atm ning 10 &nbsp;°C).<ref name="teineraamat" />
 
== Kasutusalad ==
[[Pilt:Ultraheli sond.png|pisi|Ultraheli sond.]]
Keemias kasutatakse ultraheli kõige tihedamini ühendite sünteesis, sest sellega on võimalik mõjutada reaktsioonide kulgu peaaegu igast küljest.
 
Kuigi ultraheli rakendamine toob endaga kaasa tavaliselt paljude produktide segu, siis 2007. aastal ajakirjas [[Nature]] avaldatud artiklis kirjeldati reaktsiooni, milles ultraheli mõjutas selektiivselt tsüklobutaani ahela avamise reaktsiooni.<ref name="tsüklobutaan" /> 2008. aastal kirjeldas [[Atul Kumar]] mitmekomponendilist Hantzschi [[Estrid|estrite]] sünteesi reaktsiooni, kasutades ultraheli.<ref name="atulkumar" />
 
Osa vees olevaid saasteaineid on võimalik sonokeemiliselt hävitada. Nendeks on näiteks kloreeritud [[Orgaanilised ühendid|orgaanilised ühendid]].<ref name="klooritud" />
 
Sonokeemias kasutatakse spetsiaalset vanni (ultraheliga puhastamisel), mis tekitab vajalikul sagedusel ultraheli ning suunab selle vannis olevasse vedelikku või kõrge võimsusega sondi, mis genereerib ultraheli kokkupuutel veega.
<ref name="suslickbubble">Suslick, K.S.; Flannigan, D.J. "Inside a Collapsing Bubble, Sonoluminescence and Conditions during Cavitation". Annu. Rev. Phys. Chem. 2008, 59, 659–683.</ref>
<ref name="artikkel">Mason, T.J.; Ashokkumar M. "Sonochemistry". Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology 2007. ISBN 978-0-471-48494-3.</ref>
<ref name="teineraamat">Mason, T.J. Sonochemistry: The Uses of Ultrasound in Chemistry. The Royal Society of Chemistry. Cambridge. 1990, 1–26. ISBN 0-85186-293-4.</ref>
<ref name="ajalugu">Wood, R.W.; Loomis, A.L. The Physical and Biological Effects of High Frequency Sound Waves of Great Intensity. Philos. Mag. 1927, 4, 414.</ref>
<ref name="punane">Luche, J.L. Synthetic Organic Sonochemistry. Plenum Press. New York. 1998, 1–49. ISBN 0-306-45916-7.</ref>
<ref name="teineraamat">Mason, T.J. Sonochemistry: The Uses of Ultrasound in Chemistry. The Royal Society of Chemistry. Cambridge. 1990, 1–26. ISBN 0-85186-293-4.</ref>
<ref name="mullväärtus">Suslick, K.S.; Hammerton, D.A.; Cline, R.E.Jr. J. Am. Chem. Soc. 1986, 108, 5641.</ref>
<ref name="mulliväärtus">Flint, E.B.; Suslick, K.S. Science. 1991, 253, 1397.</ref>
76 022

muudatust