化學與社會神奇的聲化學

廖振華

1876年，英國海軍建造出了第一艘高速驅逐艦，在試航時發現，螺旋槳推

進器在水中會引起劇烈振動，航速下降，噪聲增加，并發現原本光滑的螺旋槳表

面出現了大面積被腐蝕的凹點，工程師們不得其解。其后，英國海軍雖幾次改進

設計，但始終未能擺脫振動和腐蝕問題的困擾，于是邀請著名力學專家瑞利勛爵

來研究這個問題。瑞利經過10多年的研究發現，螺旋槳表面被腐蝕的原因不是

海水的化學腐蝕作用，而是物理機制，水力空化效應是造成這一結果的根本原因。

這種振動是由于螺旋槳的旋轉產生了大氣泡（空穴），而這些大氣泡又在水的壓

力下隨即發生內爆而產生的。這是第一次對空化現象物理本質的描述。1917年，

瑞利發表了題為“液體中球形空腔崩潰時產生的壓力”的著名研究論文，對空化

現象的理論研究做出了重大突破，為半個多世紀以來的一切有關空化理論研究奠

定了基礎。

以上現象是聲波與物質（媒質）發生物理作用，那么，聲波又是如何與物質

發生化學作用呢？在固體和氣體中，聲波不會與媒質發生化學作用，而在液體中

（可以是常見的水，也可以是有機液體如烴類、醇類、羧酸類等），由于聲音傳

播的非線性效應，可以和媒質發生化學作用。這其中的科學機制就是被廣泛研究

的聲波在液體中的“空化效應”。

一、什么是聲化學

所謂聲化學，主要是指利用超聲波加速化學反應、提高化學產率的一門新興

的交叉學科。聲化學反應不是來自聲波與物質分子的直接相互作用，因為在液體

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

度。聲化學反應主要源于聲空化——液體中空腔的形成、振蕩、生長、收縮至崩

潰，及其引發的物理、化學變化。液體聲空化的過程是集中聲場能量并迅速釋放

的過程。空化泡崩潰時，極短時間（納秒和微秒之間）在空化泡周圍的極小空間

內，產生5000 K以上的高溫（如此高溫足以導致液體媒質和空化泡內的物質發

生高溫裂解，從而引發一系列的自由基反應。）和大約5×107Pa的高壓，溫度變

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

在一般條件下難以實現或不可能實現的化學反應，提供了一種新的非常特殊的物

理環境，開啟了新的化學通道。所以，空化效應可以直接在液體媒質中引起化學

反應。與這些化學反應相關的一門學科便被稱之為聲化學，有的文獻上也稱聲化

學為超聲波化學或高能化學，是化學學科目錄里的最后一門獨立的化學學科。

聲化學的主要內容是，利用超聲空化能量開啟或加速化學反應，提高化學產

額。聲化學中主要使用20 kHz～50 kHz的功率超聲波，通常的聲化學反應器尺

度在量級上接近聲波波長，這樣低頻超聲波在媒質中傳播衰減很小，在容器壁上

幾乎發生全反射，且足夠的聲強會使液體媒質表面受到激烈擾動，因此，在反應器內極易建立起混響場。

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的能源，如光能、熱能及離子輻射能等。

聲化學反應有四種類型，它們是：常見的化學反應，水溶液中的氧化還原反

應，聚合物的降解和有機溶劑的分解反應。若從討論聲化學反應的機理出發，則

常將所有的聲化學反應分成超聲波可加速反應的化學反應，和只有施加超聲波才

會發生的化學反應兩大類型。

屬于前一種類型的聲化學反應例子很多，如：酯的水解、乙炔加氫和乙醛還

原，碳酸鈣與酸的反應、重氮化合物的分解和使用固體催化劑的反應等。

屬于后一種類型的聲化學反應例子有：聚合物的降解和聚合反應，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、聲化學的應用

聲化學已是目前化學研究的前沿之一。它的發展正在國際范圍內引起化學學術界的重視。聲化學技術在生產上可望首先為農藥、合成藥物、塑料和微電子器件等工業帶來重大變革，因此正受到化工生產行業的極大關注。當前國際化學界認為，化學研究應予優先注意的尖端項目之一就是物質在高溫和超高壓的極端條件下的化學行為，因其有助于了解化學反應，開辟新途徑，尋求新材料。可以肯定，聲化學科學的發展必將有新的貢獻。

實驗化學家可以在一系列應用領域中發揮功率超聲的作用，并可望從中獲得一種或數種益處，這些益處大體上表現為：

1.加速化學反應或軟化所需要的反應條件。

2.聲化學反應與一般技術相比，對試劑規格的要求常常會降低。

3.反應常常由超聲引發，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，反應可能完全遵循另外途徑進行。

以下列出功率超聲在化工等方面的應用。

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象總是要發生的。功率超聲用于電化學

過程帶來的益處有如下幾點：

（1）超聲輻照可以隨時除去電極表面出現的氣泡，保證電流暢通無阻。

（2）超聲空化產生的射流可以不斷地凈化電極表面，以保持其化學活性。

（3）超聲空化作用可連續擾動擴散層，以防止離子耗盡。

（4）超聲擾動使得在整個電化學反應過程中，有更多的離子穿過電極雙層傳輸。

2.沉淀、結晶與霧化。沉淀、結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媒質以產生特殊形態物質的表現形式。在若干工業生產中，

常常需要加工出特別微小而均勻的物質顆粒。大量事實證明，超聲是加工這類微

粒十分有效的工具。如在制藥廠，為生產口服或皮下注射懸浮液藥劑，就要求加

工很細小而均勻的物質顆粒，一則可以得到穩定的懸浮液，二則又易于人體吸收。

3.分離與過濾。傳統的過濾方法會常常出現過濾阻塞，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工作，將會帶來明顯的經濟效益。事實表明，應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在二個方面：其一是，超聲輻照會使過細的顆粒發生凝聚，從而使過濾加快；其次是，超聲輻照向系統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、聲化學的未來

上世紀二十年代，在美國普林斯頓大學化學實驗室，首次發現了超聲波有加

速二甲基硫酸酯的水解和亞硫酸還原碘酸鉀反應的作用，但未引起化學家的重

視。到了上世紀八十年代中期，聲化學已與熱化學、光化學、電化學一樣，成為了一個

新的化學分支，并在國際上異軍突起，迅速發展。

1986年4月8～11日，第一屆國際聲化學學術討論會在英國沃里克大學召

開，標志著聲化學在經歷了一段很短的復興期后就在現代科學技術領域中占有一

席之地。同年4月14日，英國《泰晤士報》寫道：“一場新工業革命就在眼前，

它將使塑料、洗滌劑、制藥和農業化學的傳統生產技術煥然一新，它無與倫比的

優點就是安全（不要求現行生產中的高溫高壓條件）和價廉（只消耗最少量的能

量）。……這就是稱作為聲化學的新的科學分支”。

聲化學的崛起不僅引起了化學界的極大關注，也激發了化工企業界的深厚興

趣。1986年，在阿納海姆召開的美國化學學會（ACS）全國會議上，“有機金屬

化學中的高能技術”論題的主要內容就是聲化學；1987年，英國皇家化學學會

專門成立了聲化學學科組；同年在法國的薩瓦大學，關于“有機化學中新的合成

方法”的EUCHEM專題研究小組，則把聲化學作為它的重要部分；1988年英

國有20家公司簽約成立“聲化學俱樂部”，從經濟上支持聲化學研究。

聲化學在2l世紀正得到越來越多的化學家的關注，這門新興的化學學科正

值年少，并已經向工業應用領域拓展，神奇的聲化學一定會圓我們更多的夢想。

（收稿日期：2015-01-26）