ỨNG DỤNG SÓNG SIÊU ÂM TRONG HÓA HỌC

Siêu âm có thể tạo ra nhiệt độ cao như trên bề mặt mặt trời và áp suất cao như ở dưới đáy đại dương. Trong một số trường hợp, nó cũng có thể làm tăng hoạt tính của hóa chất lên hàng triệu lần. Các môi trường chất đàn hồi (khí, lỏng hay rắn) có thể coi như là những môi trường liên tục gồm những phần tử liên kết chặt chẽ với nhau. Lúc bình thường, mỗi phần tử có một vị trí cân bằng bền. Nếu tác động một lực lên một phần tử A nào đó bên trong môi trường này, nó sẽ rời khỏi vị trí cân bằng bền. Do tương tác tạo nên bởi các mối liên kết với các phần tử bên cạnh, một mặt phần tử A bị kéo về vị trí cân bằng, một mặt nó cũng chịu tác dụng bởi lực tác động nên phần tử A sẽ di chuyển qua lại quanh vị trí cân bằng, có nghĩa là phần tử A thực hiện chuyển động dưới dạng dao động. Hiện tượng này tiếp tục xảy ra đối với các phần tử khác của môi trường. Dạng dao động cơ, có tính chất lặp đi lặp lại, lan truyền trong môi trường đàn hồi được gọi là sóng đàn hồi hay sóng cơ, nói một cách khác, sóng là một hiện tượng vật lý trong đó năng lượng được dẫn truyền dưới dạng dao động của các phần tử vật chất của môi trường truyền sóng. Về bản chất, sóng âm là

Seminar môn học:

Siêu Âm trong hóa học

GV: Ts Trương Thị Kim Dung

Nội dung

• 1.) Sơ lược về sóng siêu âm.

• 2.) Siêu âm trong hóa học.

• 3.) Ứng dụng của siêu âm trong một vài quá trình tổng hợp.

• 4.) Kết luận.

2

1.) Sóng siêu âm.

• Về bản chất, sóng âm là sóng cơ học, do đó nó tuân theo mọi quy luật đối với sóng cơ, có thể tạo ra sóng âm bằng cách tác động một lực cơ học vào môi trường truyền âm

• Phân loại theo tần số: sóng âm được chia theo dải tần số thành:

+ Sóng âm tần số cực thấp, (Infrasound): f < 16 Hz Ví dụ: sóng địa chấn

+ Sóng âm tần số nghe thấy được (Audible sound): f= 16 Hz – 20 kHz

+ Sóng siêu âm (Ultrasound): f > 20kHz.

3

Các đại lượng đặc trưng của

sóng âm là quãng đường mà

sóng âm truyền được trong

một đơn vị thời gian

- Độ dài bước sóng λ (μm): là m): là

quãng đường mà sóng truyền

được sau khoảng thời gian

bằng 1 chu kỳ (λ = v.T = v/f)

4

2.) SIÊU ÂM TRONG HÓA HỌC.

QUÁ TRÌNH TẠO – VỠ BỌT Trong môi trường đồng thể:

5

2.1) Trong môi trường dị thể (rắn lỏng).

6

Ở ranh giới rắn lỏng, vỡ bọt bất đối xứng

và tạo ra sự phun tốc độ rất cao (> 100

m/s)

làm tăng diện tích bề mặt tiếp xúc của pha

rắn

7

CÁC HƯỚNG ỨNG DỤNG SIÊU ÂM TRONG

Siêu âm cường độ cao để nâng cao khả năng phản ứng của các kim loại ứng dụng phản ứng hữu cơ dị thể và các chất cơ kim

2.2) Âm hóa học trong hệ dị pha.

9

chiếu xạ siêu âm đã loại bỏ các lớp oxit không hoạt động bao phủ trên bề mặt Sự loại bỏ các lớp oxit này đã cải thiện đáng kể tốc độ phản ứng.

Kết quả của chiếu xạ siêu âm trên kết cấu bề mặt của

bột Ni

10

2.3) Âm hóa học trong hệ đồng thể.

Phản ứng trong hệ đồng thể tăng tốc được nhờ vào sự

tạo thành các gốc tự do

11

2.4) Ứng dụng của siêu âm trong polymer.

• Các polyme trong dung dịch bị giảm cấp khi được chiếu xạ siêu âm.

19

Copolymer khối

21

2.5) Siêu âm trong xúc tác.

Siêu âm là một ứng dụng rất quan trọng trong cả xúc tác đồng thể và dị thể.

– Xúc tác dị thể thì thường được ứng dụng trong công nghiệp nhiều hơn xúc tác đồng thể

22

Bộ chuyển đổi áp điện

23

3.) ỨNG DỤNG CỦA SIÊU ÂM TRONG

MỘT VÀI QUÁ TRÌNH TỔNG HỢP

3.1) Thiết bị sử dụng trong phòng thí nghiệm.

24

Bồn đánh siêu âm(The ultrasonic cleaning

bath)

25

Đầu dò siêu âm (The ultrasonic probe)

26

3.2) Hoạt hóa kim loại.

•Khơi mào phản ứng điều chế tác chất Grignard:

•Sự tạo thành cyclopropan - phản ứng Simmons-Smith

27

• Sự khử hiđrô của tetrahydronaphthalen thành naphtalen

• Sử dụng xung điện hóa siêu âm (sonoelectrochemistry)

28

3.3) Tổng hợp enzyme.

 Là một phạm vi ứng dụng của sonochemistry

 Sóng siêu âm với năng lượng cao phá vỡ thành tế bào sinh học giải phóng những thành phần chứa bên trong tế bào

Hình Kiểm soát quá trình sonication đã được sử dụng để "kích thích" thể huyền phù của men baker để cung cấp

nguồn sterol cyclase rẻ tiền

29

 sử dụng siêu âm phải hết sức thận trọng khi sử dụng kết hợp với vật liệu sinh học, Các điều kiện của sóng âm phải được điều khiển

cẩn thận.

 Tổng hợp dipeptid trong dung dịch nhũ

tương

 Điều kiện tối ưu hóa quá trình sóng âm cho các chuyển

hóa cholesterol của vi sinh vật thành cholestenone:nguồn chiếu xạ xung 2.8W áp dụng cho 5s của mỗi phút 10 và điều này đã cho tăng sản lượng 40%.

30

3.4) Chuyển pha và các ứng dụng liên

quan.

 Phản ứng N-ankyl hóa của indole (một chất dẫn xuất của amino acid

tryptophan) với RBr [R = CH (CH ) ] trong toluen ở 25°C

 Điều chế các axit amin thông qua sự tổng hợp của

aminonitril.

32

3.5) Một vài tổng hợp khác.

đến tổng hợp các ferrilactone hữu ích.

Sonication thúc đẩy phản ứng Trialkylboran có được

thông qua các phản ứng bậc thang của boran với một anken.

Kỹ thuật tổng hợp gồm hydrobo hóa/oxy hóa của các

nhóm vinyl 33

 Sonochemistry đã được sử dụng để cải thiện phản ứng ankyl hóa Friedel-Crafts được sử dụng để tổng hợp chất chống viêm ibuprofen

Điều kiện cổ điển

Điều kiện tác dưới động siêu âm

Nhiệt độ phản ứng 25 °C

Thời gian phản ứng 2h

Hiệu suất phản ứng 17% 50%

34

35