化學(xué)與社會神奇的聲化學(xué)

廖振華

1876年，英國海軍建造出了第一艘高速驅(qū)逐艦，在試航時發(fā)現(xiàn)，螺旋槳推

進(jìn)器在水中會引起劇烈振動，航速下降，噪聲增加，并發(fā)現(xiàn)原本光滑的螺旋槳表

面出現(xiàn)了大面積被腐蝕的凹點(diǎn)，工程師們不得其解。其后，英國海軍雖幾次改進(jìn)

設(shè)計(jì)，但始終未能擺脫振動和腐蝕問題的困擾，于是邀請著名力學(xué)專家瑞利勛爵

來研究這個問題。瑞利經(jīng)過10多年的研究發(fā)現(xiàn)，螺旋槳表面被腐蝕的原因不是

海水的化學(xué)腐蝕作用，而是物理機(jī)制，水力空化效應(yīng)是造成這一結(jié)果的根本原因。

這種振動是由于螺旋槳的旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生了大氣泡（空穴），而這些大氣泡又在水的壓

力下隨即發(fā)生內(nèi)爆而產(chǎn)生的。這是第一次對空化現(xiàn)象物理本質(zhì)的描述。1917年，

瑞利發(fā)表了題為“液體中球形空腔崩潰時產(chǎn)生的壓力”的著名研究論文，對空化

現(xiàn)象的理論研究做出了重大突破，為半個多世紀(jì)以來的一切有關(guān)空化理論研究奠

定了基礎(chǔ)。

以上現(xiàn)象是聲波與物質(zhì)（媒質(zhì)）發(fā)生物理作用，那么，聲波又是如何與物質(zhì)

發(fā)生化學(xué)作用呢？在固體和氣體中，聲波不會與媒質(zhì)發(fā)生化學(xué)作用，而在液體中

（可以是常見的水，也可以是有機(jī)液體如烴類、醇類、羧酸類等），由于聲音傳

播的非線性效應(yīng)，可以和媒質(zhì)發(fā)生化學(xué)作用。這其中的科學(xué)機(jī)制就是被廣泛研究

的聲波在液體中的“空化效應(yīng)”。

一、什么是聲化學(xué)

所謂聲化學(xué)，主要是指利用超聲波加速化學(xué)反應(yīng)、提高化學(xué)產(chǎn)率的一門新興

的交叉學(xué)科。聲化學(xué)反應(yīng)不是來自聲波與物質(zhì)分子的直接相互作用，因?yàn)樵谝后w

中常用的聲波波長為10 cm～0.015 cm（對應(yīng)15 kHz～10 MHz），遠(yuǎn)大于分子尺

度。聲化學(xué)反應(yīng)主要源于聲空化——液體中空腔的形成、振蕩、生長、收縮至崩

潰，及其引發(fā)的物理、化學(xué)變化。液體聲空化的過程是集中聲場能量并迅速釋放

的過程?？栈荼罎r，極短時間（納秒和微秒之間）在空化泡周圍的極小空間

內(nèi)，產(chǎn)生5000 K以上的高溫（如此高溫足以導(dǎo)致液體媒質(zhì)和空化泡內(nèi)的物質(zhì)發(fā)

生高溫裂解，從而引發(fā)一系列的自由基反應(yīng)。）和大約5×107Pa的高壓，溫度變

化率高達(dá)109K/s，并伴生強(qiáng)烈的沖擊波和（或）時速達(dá)400 km的射流，這就為

在一般條件下難以實(shí)現(xiàn)或不可能實(shí)現(xiàn)的化學(xué)反應(yīng)，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)通道。所以，空化效應(yīng)可以直接在液體媒質(zhì)中引起化學(xué)

反應(yīng)。與這些化學(xué)反應(yīng)相關(guān)的一門學(xué)科便被稱之為聲化學(xué)，有的文獻(xiàn)上也稱聲化

學(xué)為超聲波化學(xué)或高能化學(xué)，是化學(xué)學(xué)科目錄里的最后一門獨(dú)立的化學(xué)學(xué)科。

聲化學(xué)的主要內(nèi)容是，利用超聲空化能量開啟或加速化學(xué)反應(yīng)，提高化學(xué)產(chǎn)

額。聲化學(xué)中主要使用20 kHz～50 kHz的功率超聲波，通常的聲化學(xué)反應(yīng)器尺

度在量級上接近聲波波長，這樣低頻超聲波在媒質(zhì)中傳播衰減很小，在容器壁上

幾乎發(fā)生全反射，且足夠的聲強(qiáng)會使液體媒質(zhì)表面受到激烈擾動，因此，在反應(yīng)器內(nèi)極易建立起混響場。

超聲空化提供了能量形式，在作用時間、壓力及每個分子可獲取的能量等方

面完全不同于一些傳統(tǒng)的能源，如光能、熱能及離子輻射能等。

聲化學(xué)反應(yīng)有四種類型，它們是：常見的化學(xué)反應(yīng)，水溶液中的氧化還原反

應(yīng)，聚合物的降解和有機(jī)溶劑的分解反應(yīng)。若從討論聲化學(xué)反應(yīng)的機(jī)理出發(fā)，則

常將所有的聲化學(xué)反應(yīng)分成超聲波可加速反應(yīng)的化學(xué)反應(yīng)，和只有施加超聲波才

會發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)兩大類型。

屬于前一種類型的聲化學(xué)反應(yīng)例子很多，如：酯的水解、乙炔加氫和乙醛還

原，碳酸鈣與酸的反應(yīng)、重氮化合物的分解和使用固體催化劑的反應(yīng)等。

屬于后一種類型的聲化學(xué)反應(yīng)例子有：聚合物的降解和聚合反應(yīng)，在四氯化

碳條件下從碘化物中釋放碘，在以空氣飽和的水中形成H2O2、HNO2和HNO3，在芳烴的水溶液中形成羥基芳烴化合物等。

二、聲化學(xué)的應(yīng)用

聲化學(xué)已是目前化學(xué)研究的前沿之一。它的發(fā)展正在國際范圍內(nèi)引起化學(xué)學(xué)術(shù)界的重視。聲化學(xué)技術(shù)在生產(chǎn)上可望首先為農(nóng)藥、合成藥物、塑料和微電子器件等工業(yè)帶來重大變革，因此正受到化工生產(chǎn)行業(yè)的極大關(guān)注。當(dāng)前國際化學(xué)界認(rèn)為，化學(xué)研究應(yīng)予優(yōu)先注意的尖端項(xiàng)目之一就是物質(zhì)在高溫和超高壓的極端條件下的化學(xué)行為，因其有助于了解化學(xué)反應(yīng)，開辟新途徑，尋求新材料?？梢钥隙ǎ暬瘜W(xué)科學(xué)的發(fā)展必將有新的貢獻(xiàn)。

實(shí)驗(yàn)化學(xué)家可以在一系列應(yīng)用領(lǐng)域中發(fā)揮功率超聲的作用，并可望從中獲得一種或數(shù)種益處，這些益處大體上表現(xiàn)為：

1.加速化學(xué)反應(yīng)或軟化所需要的反應(yīng)條件。

2.聲化學(xué)反應(yīng)與一般技術(shù)相比，對試劑規(guī)格的要求常常會降低。

3.反應(yīng)常常由超聲引發(fā)，而勿需添加試劑。

4.合成程序中通常所要求的步驟會減少。

5.在某些情況下，反應(yīng)可能完全遵循另外途徑進(jìn)行。

以下列出功率超聲在化工等方面的應(yīng)用。

1.電鍍。在電鍍槽中施以超聲輻照可以增加電鍍速率和防止電鍍電流下降，

而在一般情況下由于極化這種電流下降現(xiàn)象總是要發(fā)生的。功率超聲用于電化學(xué)

過程帶來的益處有如下幾點(diǎn)：

（1）超聲輻照可以隨時除去電極表面出現(xiàn)的氣泡，保證電流暢通無阻。

（2）超聲空化產(chǎn)生的射流可以不斷地凈化電極表面，以保持其化學(xué)活性。

（3）超聲空化作用可連續(xù)擾動擴(kuò)散層，以防止離子耗盡。

（4）超聲擾動使得在整個電化學(xué)反應(yīng)過程中，有更多的離子穿過電極雙層傳輸。

2.沉淀、結(jié)晶與霧化。沉淀、結(jié)晶與霧化這三種過程的共性在于，它們都是

功率超聲作用于液態(tài)媒質(zhì)以產(chǎn)生特殊形態(tài)物質(zhì)的表現(xiàn)形式。在若干工業(yè)生產(chǎn)中，

常常需要加工出特別微小而均勻的物質(zhì)顆粒。大量事實(shí)證明，超聲是加工這類微

粒十分有效的工具。如在制藥廠，為生產(chǎn)口服或皮下注射懸浮液藥劑，就要求加

工很細(xì)小而均勻的物質(zhì)顆粒，一則可以得到穩(wěn)定的懸浮液，二則又易于人體吸收。

3.分離與過濾。傳統(tǒng)的過濾方法會常常出現(xiàn)過濾阻塞，因此不得不定期更換過濾膜。不言而喻，如使之避免過濾阻塞和保持連續(xù)工作，將會帶來明顯的經(jīng)濟(jì)效益。事實(shí)表明，應(yīng)用功率超聲可為解決這個問題提供理想途徑。超聲輻照用于改善過濾過程主要表現(xiàn)在二個方面：其一是，超聲輻照會使過細(xì)的顆粒發(fā)生凝聚，從而使過濾加快；其次是，超聲輻照向系統(tǒng)提供足夠的振動能量，使部分粒子保持懸浮，為溶劑的分離提供了較多的自由通道。

三、聲化學(xué)的未來

上世紀(jì)二十年代，在美國普林斯頓大學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)室，首次發(fā)現(xiàn)了超聲波有加

速二甲基硫酸酯的水解和亞硫酸還原碘酸鉀反應(yīng)的作用，但未引起化學(xué)家的重

視。到了上世紀(jì)八十年代中期，聲化學(xué)已與熱化學(xué)、光化學(xué)、電化學(xué)一樣，成為了一個

新的化學(xué)分支，并在國際上異軍突起，迅速發(fā)展。

1986年4月8～11日，第一屆國際聲化學(xué)學(xué)術(shù)討論會在英國沃里克大學(xué)召

開，標(biāo)志著聲化學(xué)在經(jīng)歷了一段很短的復(fù)興期后就在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域中占有一

席之地。同年4月14日，英國《泰晤士報》寫道：“一場新工業(yè)革命就在眼前，

它將使塑料、洗滌劑、制藥和農(nóng)業(yè)化學(xué)的傳統(tǒng)生產(chǎn)技術(shù)煥然一新，它無與倫比的

優(yōu)點(diǎn)就是安全（不要求現(xiàn)行生產(chǎn)中的高溫高壓條件）和價廉（只消耗最少量的能

量）。……這就是稱作為聲化學(xué)的新的科學(xué)分支”。

聲化學(xué)的崛起不僅引起了化學(xué)界的極大關(guān)注，也激發(fā)了化工企業(yè)界的深厚興

趣。1986年，在阿納海姆召開的美國化學(xué)學(xué)會（ACS）全國會議上，“有機(jī)金屬

化學(xué)中的高能技術(shù)”論題的主要內(nèi)容就是聲化學(xué)；1987年，英國皇家化學(xué)學(xué)會

專門成立了聲化學(xué)學(xué)科組；同年在法國的薩瓦大學(xué)，關(guān)于“有機(jī)化學(xué)中新的合成

方法”的EUCHEM專題研究小組，則把聲化學(xué)作為它的重要部分；1988年英

國有20家公司簽約成立“聲化學(xué)俱樂部”，從經(jīng)濟(jì)上支持聲化學(xué)研究。

聲化學(xué)在2l世紀(jì)正得到越來越多的化學(xué)家的關(guān)注，這門新興的化學(xué)學(xué)科正

值年少，并已經(jīng)向工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域拓展，神奇的聲化學(xué)一定會圓我們更多的夢想。

（收稿日期：2015-01-26）