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Sonochimica

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La sonochimica è una branca della chimica che studia le reazioni chimiche che avvengono in una soluzione irradiata con ultrasuoni.

Questi ultimi sono onde acustiche di frequenza superiore alla capacità dell’uomo di udire i suoni. Hanno frequenza superiore a 20 MHz mentre l’uomo percepisce suoni con una frequenza dai 20 Hz ai 20 MHz. L’irradiazione ultrasonica accelera la velocità di reazione, migliora la catalisi eterogenea e consente condizioni di soluzione più blande. Gli effetti chimici degli ultrasuoni rientrano nella sonochimica omogenea dei liquidi e in quella eterogenea dei sistemi liquido-liquido o liquido-solido.

Storia

Le applicazioni chimiche degli ultrasuoni sono un nuovo campo di ricerca ma la storia della sonochimica, inizia alla fine del 1800. Durante i test delle prime torpediniere ad alta velocità nel 1894, si osservarono  forti vibrazioni e una rapida erosione dell’elica della nave con formazione di grandi cavità. Gli studi compiuti  evidenziarono che gli effetti erano dovuti all’enorme turbolenza, calore e pressione prodotti quando le bolle di cavitazione implodevano sulla superficie dell’elica.

Questo fenomeno di cavitazione si verifica nei liquidi non solo durante il flusso turbolento ma anche sotto irraggiamento ultrasonico ad alta intensità. Alfred Lee Loomis, uno dei padri della fisica degli ultrasuoni, notò i primi effetti chimici degli ultrasuoni nel 1927, ma il campo della sonochimica rimase inattivo per quasi 60 anni. La nascita della sonochimica si è verificata negli anni ’80, subito dopo l’avvento di generatori di ultrasuoni ad alta intensità da laboratorio economici e affidabili.

Meccanismo di azione

A causa delle elevate temperature e pressioni e delle alte velocità di riscaldamento e raffreddamento generate dal collasso delle bolle di cavitazione, gli ultrasuoni forniscono un meccanismo insolito per generare una chimica ad alta energia. Come nella fotochimica, grandi quantità di energia sono introdotte in un breve periodo di tempo, ma si tratta di un’eccitazione termica piuttosto che elettronica. Si raggiungono alte temperature termiche.

Nanoprodotti

La sonochimica è una tecnica per l’ottenimento metalli amorfi sotto forma di nanomateriali. Ad esempio trattando il ferro pentacarbonile Fe(CO)5 in decano a 0°C sotto flusso continuo di argon si ottiene ferro amorfo con dimensione delle particelle compresa tra 4 e 6 nm.

I colloidi di materiali ferromagnetici sono ottenuti dalla magnetite Fe3O4 utilizzando ultrasuoni ad alta intensità per produrre colloidi stabili di ferro. Con  questo metodo i composti organo-metallici volatili sono decomposti sonochimicamente. In presenza di polivinilpirrolidone, le dimensioni delle particelle di ferro colloidale sono comprese tra 3 e 8 nm mentre in presenza di acido oleico sono distribuite uniformemente a 8 nm

Il disolfuro di molibdeno MoS2 è detto lubrificante automobilistico standard per la sua struttura a strati è preparato mediante irradiazione ad ultrasuoni ad alta intensità. Si utilizza di molibdeno esacarbonile Mo(CO)6 e zolfo in 1,2,3,5-tetrametilbenzene. Sotto il flusso di He il prodotto amorfo è riscaldato a 450°C per ottenere MoS2 cristallizzato.

Applicazioni

La sonochimica è applicata su catalizzatori eterogenei con grandi vantaggi.

Ad esempio l’idrogenazione catalitica degli alcheni con il nichel è migliorata dall’irradiazione ultrasonica.  Su scala macroscopica, la superficie inizialmente cristallina è agglomerata in piccole particelle mediante irraggiamento ad ultrasuoni.

Questo effetto è dovuto alle collisioni tra le particelle causate dalle onde d’urto indotte dalla cavitazione che provoca una notevole diminuzione dello spessore del rivestimento di ossido dopo l’irradiazione ultrasonica.

Tra le altre applicazioni vi è il trattamento dei fanghi negli impianti di trattamento delle acque reflue.

Il principio si basa sulla distruzione delle cellule batteriche e delle sostanze organiche. Le cellule batteriche rilasciano il loro contenuto, che è quindi disponibile per il consumo da parte di altre specie. Le sostanze organiche sono scomposte in frazioni più piccole che sono facilmente biodegradabili.

Quando un campo ultrasonico è applicato a un mezzo liquido, durante il processo di cavitazione si producono microbolle. Queste bolle di cavitazione implodono a temperature e pressioni estremamente elevate. La forza delle implosioni delle bolle rompe le particelle di fango quando è applicata nel trattamento dei fanghi di depurazione.