Bibliographie & annexes
Présentation
RÉSUMÉ
Les ultrasons ont trouvé un grand nombre d'applications très diverses depuis leur utilisation pour la communication avec les animaux (sifflet à ultrasons) jusqu'à la synthèse de molécules organiques. La sonochimie décrit les processus chimiques et physiques qui se produisent en solution grâce à l'énergie apportée par les ultrasons. Même si ce sujet reste complexe à analyser d’un point de vue théorique, les effets des ultrasons en chimie organique sont de mieux en mieux cernés. Cet article commence par lister l’équipement de laboratoire et celui industriel existant à ce jour. L’ensemble des applications de la sonochimie en synthèse organique et en chimie fait l’objet ensuite d’une présentation détaillée. Pour terminer, les limitations de cette technique sont présentées.
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Ultrasound has found a large number of varied applications, from their usage in order to communicate with animals (ultrasound whistle) to the synthesis of organic molecules. The sonochemistry describes the chemical and physical processes which occur in solutions due to the energy induced by ultrasound. Although this matter remains complex to analyze from a theoretical viewpoint, the understanding of the effects of ultrasound in organic chemistry is constantly improving. This article starts by listing the existing laboratory and industrial equipment. The applications of sonochemistry in organic synthesis are then reviewed. The limitations of these techniques are presented as a conclusion.
Auteur(s)
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Micheline DRAYE : Professeur des universités, université de Savoie (Chambéry) - Laboratoire de chimie moléculaire et environnement
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Julien ESTAGER : Docteur de l'université de Savoie (Chambéry) - Laboratoire de chimie moléculaire et environnement
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Max MALACRIA
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Jean-Philippe GODDARD
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Cyril OLLIVIER : UPMC, Univ. Paris 06, Institut parisien de chimie moléculaire (UMR CNRS 7201)
INTRODUCTION
Le terme sonochimie est utilisé pour décrire les processus chimiques et physiques qui se produisent en solution grâce à l'énergie apportée par les ultrasons . Ces effets sont reliés au phénomène de cavitation qui correspond à la formation et à l'implosion de microbulles de gaz dans les liquides sous l'effet des ultrasons. En s'effondrant, ces microbulles de cavitation libèrent d'importantes quantités d'énergie sous forme d'une intense chaleur locale, comparable à la température à la surface du Soleil (5 000 K), de très haute pression (jusqu'à 1 000 atm), d'ondes de choc et de microcourants acoustiques ; chaque bulle de cavitation peut ainsi être considérée comme un microréacteur.
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Application à la synthèse organique2. Équipement de laboratoire et équipement industriel
Un dispositif produisant des ultrasons est communément appelé transducteur (figure 3). La technologie des transducteurs est actuellement basée sur des générateurs électriques. On utilise les propriétés des matériaux piézoélectriques pour convertir l'énergie électrique en énergie mécanique ultrasonore. Les transducteurs piézoélectriques utilisent l'effet piezoélectrique inverse de monocristaux naturels ou synthétiques (comme le quartz) ou de céramiques en titanate de baryum ou titano-zirconate de plomb (PZT) de formule chimique Pb(Zr x Ti1−x)O3, qui sont fortement piezoélectriques et facilement usinables. Ils se présentent le plus souvent sous la forme d'un disque, d'une plaque ou d'un anneau sur les faces desquels sont fixées deux électrodes métallisées. Lorsqu'une tension électrique est appliquée à ces deux électrodes, le matériau se dilate ou se comprime selon l'orientation de la tension par rapport à la polarisation de la céramique. L'épaisseur de la céramique augmente si le champ électrique appliqué est dans le même sens que le champ électrique de polarisation de la céramique. Si l'on renverse le sens du champ électrique, l'allongement change de signe, c'est-à-dire que l'on passe d'une dilatation à une compression. Inversement, en appliquant une force sur le matériau, une tension apparaît aux bornes des électrodes, permettant de créer ainsi des détecteurs.
Les amplitudes de déplacement, ou vibrations, des céramiques sont très faibles, d'environ quelques micromètres. Les céramiques ne sont que très rarement utilisées seules. Classiquement, la céramique est collée ou bridée sur une masse (et parfois une contre-masse) en métal ou en verre afin de l'isoler du milieu liquide dans lequel sont transmis les ultrasons. Le transducteur, constitué de cet assemblage, développe un déplacement maximal à certaines fréquences particulières qui dépendent de sa géométrie. Ces fréquences sont appelées fréquences de résonance. L'utilisation des transducteurs est généralement limitée à ces fréquences particulières, qui minimisent les pertes d'énergie.
Pour fournir une onde ultrasonore, il suffit donc de fournir au transducteur une tension électrique de fréquence égale à sa fréquence de résonance. Un générateur électrique...
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