LA SONOCHIMIE.

Gérard GOMEZ


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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.

 

2) Ultrasons et cavitation :

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.

Le schéma ci-dessous résume les différentes phases que l'on vient de décrire :

 

CAVITATION.gif

 

            - 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

·          

 

CAVITATION1

·          

CAVITATION2

 

·          

CAVITATION3

            - 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.

CAVITATION4

 

 

            - 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 :

CAVITATION 7

 

alors que l'utilisation d'ultrasons conduit à l'acide octanoïque

cavitation8

 

·          

 

Par la méthode classique

CAVITATIONX.gif

alors qu'avec des ultrasons

CAVITATION6

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.