1.6.4.1. Сонохимические реакции в водных средах

Природа растворителя оказывает существенное влияние на механизм сонохимических реакций. В водных средах активными частицами чаще всего являются продукты разложения воды.  Сонолиз молекул воды, происходящий в кавитационном пузырьке при его схлопывании, приводит к образованию пероксида водорода, активных радикалов и гидратированных электронов [26].

H2O → H. + HO.,

HO. + HO. → H2O2,

H. + O2 → HO2.,

HO2. + HO2. → H2O2 + O2,

H2O → H2O+ + e-,

e- + z H2O → e-ag.

Образующиеся активные частицы переходят в раствор, где инициируют и интенсифицируют,  прежде всего, окислительно-восстановительные и радикальные реакции. Реакции подобного типа изучены достаточно подробно. Например, окисление Fe+2 солью Мора и  окисление иодид – иона стали классическими примерами сонохимических процессов.

Получение наночастиц сонохимическим восстановлением [26]. Создание благоприятных условий для протекания окислительно-восстановительных реакций при ультразвуковой обработке водных и водно-спиртовых растворов можно использовать для получения различных веществ в мелкодисперсном состоянии. Например, методом прямого сонохимического восстановления (т.е. без использования дополнительных восстанавливающих агентов) могут быть получены некоторые неактивные металлы, такие как золото, платина, палладий, медь. При оптимальных условиях процесса (определенная акустическая мощность, наличие ПАВ и др.) формируются частицы правильной сферической формы с радиусом около 10 нм и очень узким распределением частиц по размерам. В литературе имеются сообщения о синтезе композиционных неорганических материалов на основе металлов методами сонохимического восстановления. При этом в исходный раствор солей металлов вводится SiO2 (в виде геля), который служит матрицей, определяющей размер частиц металла.

В случае более активных металлов ультразвуковое воздействие  может быть использовано при получении их оксидов в высокодисперсном состоянии [26]. Так при ультразвуковой обработке раствора ацетата железа (II) получен нанокристаллический порошок Fe3O4, состоящий из частиц игловидной формы (средний размер 14×48 нм). Получены высокодисперсные (50-200 нм) порошки оксидов марганца (III) и хрома (III), являющиеся перспективными веществами при создании материалов для источников постоянного тока.

В последние годы значительное число публикаций посвящено сонохимическому синтезу мелкодисперсных халькогенидов переходных металлов из солей  этих металлов и соединений, содержащих серу, селен или теллур [26]. Халькогениды находят широкое применение благодаря своим полупроводниковым свойствам.

Реакции без участия продуктов разложения воды. В кавитационном пузырьке может происходить сонолиз не только молекул воды, но и молекул других веществ с образованием активных частиц. К такому типу реакций относится, например, реакция изомеризации малеиновой кислоты и ее эфиров в фумаровую, инициируемая бромом или алкилбромидами, разлагающимися при схлопывании кавитационного пузырька [25].

К другому типу процессов относятся реакции внутри кавитационного пузырька. Последний можно рассматривать в этом случае как микрореактор, работающий при сверхвысоком давлении, при очень высокой температуре и в условиях электрического разряда. В водных средах в полости кавитационного пузырька находятся только пары воды и газы, присутствующие в воде в растворенном состоянии, поскольку летучесть остальных компонентов водного раствора, как правило, пренебрежимо малы. Поэтому количество реакций подобного типа в водных растворах ограничено. Примером таких процессов является синтез оксидов азота при действии ультразвука на воду, в которой растворен воздух; синтез аминокислот при воздействии ультразвукового облучения на воду, в которой растворены уксусная кислота и азот [25].