LA SONOCHIMIE.
Gérard GOMEZ
1) Définition et
principe :
1-1) Définition :
On parle de sonochimie
pour des réactions chimiques en solution qui utilisent l'énergie produite par
des ultrasons qui traversent le solvant (Phénomène dit de sonication).
1-2) Principe :
Les ultrasons en se
propageant dans un liquide produisent un phénomène physique appelé cavitation ;
il s'agit de la formation, dans le liquide, de petites bulles de vapeur qui
grossissent jusqu'à atteindre une taille critique où elles implosent d'une façon
extrêmement violente.
L'énergie ponctuelle
ainsi libérée peut être utilisée par des réactifs
présents dans le liquide qui joue le rôle de solvant et donner lieu à une
réaction chimique, chaque bulle de cavitation se comportant comme un
microréacteur.
C'est le principe de la
sonochimie.
Une source sonore
produit une vibration provoquant une déformation mécanique (série de
compressions et de détentes) du milieu matériel dans laquelle elle se trouve,
qui se transmet de proche en proche. Cette déformation qui se propage est appelée onde sonore.
Si la fréquence de la
vibration de la source se situe au-delà de 20kHz on dit qu'il s'agit d'un
ultrason.
Lorsqu'une onde
ultrasonore traverse un liquide, celui-ci subit donc une série de compressions
et de détentes. Plus l'énergie délivrée par la source sonore est importante
plus l'intensité de l'ultrason est grande et plus les compressions et détentes
sont intenses.
On sait qu'un liquide
peut se transformer en vapeur à toute température et cela d'autant plus
facilement que la pression est faible. Il peut donc bouillir à toute
température à condition que la pression soit adaptée. Ainsi l'eau bout à 100°C
sous une pression de 1,013 bar et à 50°C sous 0,13 bar.
Lorsqu'un ultrason
traverse un liquide, il n'est donc pas étonnant que dans une zone à faible
pression il y ait apparition d'une bulle de vapeur. Celle-ci va diminuer
lorsqu'elle sera comprimée et va au contraire grossir lorsqu'elle sera
"détendue".
La bulle de vapeur va
atteindre une taille critique (celle au-delà de laquelle elle ne pourra plus
résister aux forces auxquelles elle est soumise de la part du liquide) et
implosera à la compression suivante.
L'implosion est
violente ; la pression locale peut atteindre plusieurs centaines de milliers de
bars et des températures de plusieurs milliers de degrés. Elle s'accompagne
d'une onde de choc et de la projection d'un jet de liquide très puissant (sa
vitesse peut atteindre 280m/s).
On donne à ce phénomène
le nom de cavitation (voir annexe).
Le schéma ci-dessous
résume les différentes phases que l'on vient de décrire :
- Si l'on augmente la température du liquide on favorise
la cavitation
- Il en est de même si du gaz est dissous dans le
liquide.
- Dans des conditions données de température, si l'on
augmente la fréquence de l'ultrason, on s'aperçoit que les bulles de vapeur
produites demeurent petites (elles n'ont pas le temps de grossir) et l'on
réduit l'importance de la cavitation ; si la fréquence est trop élevée elle
peut même ne pas avoir lieu.
- Si l'on augmente la viscosité du liquide on s'aperçoit
que la cavitation se fait plus difficilement.
Remarque 1 : Lorsqu'une bulle
implose il arrive qu'elle émette un éclair (flash lumineux court et intense) ;
en un milliardième de seconde l'énergie lumineuse ainsi libérée peut être comprise entre 1 et 10 mW. Ce phénomène s'appelle
la sonoluminescence.
Remarque 2 : La cavitation n'est
pas l'apanage des ultrasons ; elle s'observe chaque fois qu'un liquide est
soumis à une série de compressions et de détentes ; c'est le cas par exemple
pour l'hélice d'un bateau qui dans sa rotation induit ce type de déformation mécanique.
Dans ce cas les jets violents des implosions sur le métal de l'hélice créent
des petites cavités qui usent le métal et donc endommagent l'hélice.
Remarque 3 : La cavitation a eu
comme première application le nettoyage du matériel ; on plonge du matériel
très sale (matière accrochée aux parois) dans un bain de détergent que l'on
fait traverser par des ultrasons. Les jets dus aux implosions des bulles de
vapeur vont décrocher la matière des parois. Cette méthode est particulièrement utile lorsque les
surfaces à nettoyer possèdent des parties difficilement accessibles.
3) Mise en œuvre de
la technique en chimie et exemples de réactions
On peut réaliser une
réaction chimique à l'aide d'ultrasons soit en immergeant un réacteur dans un
bain à ultrasons, soit en plongeant une sonde ultrasonique dans le milieu
réactionnel. Le domaine de fréquences utilisé en sonochimie se situe entre 20
et 40 kHz.
Le résultat d'une
réaction conduite avec ultrasons peut être :
- Soit une diminution du temps nécessaire
par rapport à une mise en œuvre classique sans ultrasons
C'est le cas par
exemple pour les quelques réactions suivantes
·
·
·
- Soit une diminution du temps de réaction
et une diminution de la quantité de matière nécessaire
Ainsi la réaction
suivante conduite avec des ultrasons nécessite un excès de cuivre deux fois
moindre et quatre fois moins de temps que sans ultrasons.
- Soit un résultat différent de celui
obtenu par la méthode classique
On donnera deux
exemples :
·
L'action d'une solution
d'acide nitrique sur l'octan-1-ol conduit à l'ester nitrique de cet
alcool par la méthode classique :
alors que l'utilisation
d'ultrasons conduit à l'acide octanoïque
·
Par la méthode
classique
alors qu'avec des ultrasons
Pour expliquer cela, on
suppose que dans les conditions extrêmes qui règnent lors de l'implosion des
bulles de vapeur, il se forme des radicaux intermédiaires très réactifs qui
modifient le cours de la réaction.
Annexe : La cavitation
La cavitation est définie comme une
perturbation d’un milieu liquide continu sous l’effet de contraintes
excessives, accompagnée par la formation, l’expansion et finalement l’implosion
violente de bulles créées par cette perturbation. La cavitation décrit
l’oscillation non linéaire d’une bulle de gaz et/ou de vapeur dans le liquide.
La variation de pression responsable de la croissance de la bulle peut être
provoquée par un champ acoustique de forte puissance ; on parle dans ce cas de
cavitation acoustique. En s’effondrant sur elles-mêmes en moins d’une
microseconde (implosion), ces microbulles de cavitation induisent localement,
au sein de la bulle, des températures et des pressions extrêmes (théorie du «
point chaud »). Incroyables effets sonochimiques ! A
titre de comparaison approximative, l’implosion des bulles de cavitation
conduit à des effets incroyables comme des températures égales à celles de la
surface du Soleil (5800 K), des pressions identiques à celles du fond de
l’océan (400 bar), une durée de vie de l’ordre de
celle de la foudre, et une vitesse de refroidissement d’un million de fois plus
rapide qu’une barre de fer chauffée à rouge plongée dans l’eau ! (Actualité
chimique n° 410) On peut estimer qu’une bulle ayant initialement un rayon
d’équilibre de 5 mm (sous la
pression de 1 bar et à la température de 293 K) va se dilater jusqu’à atteindre
un rayon de 50 mm lors d’une
phase de décompression, mais rétrécir jusqu’à une valeur de rayon égale à 0,7 mm dans une phase de compression.