Tổng hợp vi sóng

ngoctukhtn · 08-14-2006

TỔNG HỢP VI SÓNG VÀ HOÁ HỌC XANH

1. Vi sóng:

1.1 Vi sóng: là sóng điện từ có bước sóng dài hơn tia hồng ngoại nhưng ngắn hơn sóng radio, có bước sóng trong khoảng từ 1m (tần số 0.3GHz) đến 1mm (tần số 300GHz).Tuy vậy, ranh giới giữa tia hồng ngoại,vi sóng và sóng radio tần số cực cao (UHF) là tuỳ ý và thay đổi trong các lĩnh vực nghiên cứu khác nhau.

Để tránh giao thoa với sóng radio, các thiết bị vi sóng công nghiệp cũng như gia đình sử dụng tần số 2.450 (± 0.050)GHz tương ứng với bước sóng 12.2 cm.

Từ lâu con người đã biết đến khả năng đun nóng vật liệu của vi sóng. Sự phát triển các lò vi sóng để đun nóng thức ăn đã có lịch sử hơn 50 năm. Vào năm 1970, cấu trúc của lò phát vi sóng, magnetron, được cải tiến và đơn giản hoá. Kết quả là giá thành của các lò vi sóng gia đình giảm rõ rệt.

Trong hoá học vô cơ, kĩ thuật vi sóng được sử dụng từ cuối những năm 70 trong khi với hoá học hữu cơ là vào khoảng giữa những năm 80. Sự chậm trễ trong việc áp dụng kĩ thuật này là do các vấn đề về an toàn trong sử dụng cũng như do không có hiểu biết đầy đủ về vi sóng. Tuy nhiên, từ giữa những năm 90 kĩ thuật vi sóng đã trở nên phổ biến nhờ kĩ thuật không dung môi -giúp làm tăng độ an toàn và rút ngắn thời gian phản ứng. Điều này rất cần thiết để đáp ứng cho các đòi hỏi công nghiệp đặc biệt là trong công nghiệp được phẩm. Cùng với sự phát triến của vi sóng là sự ra đời của hàng loạt các kĩ thuật bổ trợ khác đã thúc đẩy sự phát triển của hoá học

1.2 Đun nóng bằng vi sóng:

Sự đun nóng bằng chiếu vi sóng có kết quả từ sự tương tác giữa vật liệu và sóng. Nếu ta có hai mẫu nước và dioxane lần lượt được đun nóng trong lò vi sóng có năng lượng bức xạ ổn định và thời gian cố định thì nhiệt độ cuối cùng của mẫu nước sẽ cao hơn. Để hiểu về hiện tượng này chúng ta cần hiểu cơ chế đun nóng của vi sóng.

Là bức xạ điện từ, vi sóng có thể được chia thành hai hợp phần: điện và từ trong đó chỉ có hợp phần điện thể hiện tác động đun nóng thông qua hai cơ chế chính:

1.2.a Cơ chế phân cực hoá lưỡng cực (Dipolar polarization mechanism)

Điện trường chỉ có tác động trên các phân tử có moment lưỡng cực, tương tự như H2O. Các phân tử phân cực có tính chất định hướng theo chiều điện trường. Thông thường các phân tử lưỡng cực sắp xếp ngẫu nhiên và chỉ có chuyển động Brown. Khi có dòng điện, các phân tử sắp xếp theo hướng xác định. Nếu có dòng xoay chiều, điện trường đảo chiều liên tục, các phân tử lưỡng cực có khuynh hướng sắp xếp lại theo chiều điện trường. Các phân tử khí ở cách xa nhau, do đó sự sắp xếp lại xảy ra nhanh chóng. Với các phân tử lỏng, sự có mặt của các phân tử khác ngăn cản sự sắp xếp này. Khả năng của các phân tử chất lỏng sắp xếp phụ thuộc vào tần số của điện trường áp dụng cũng như độ nhớt của chất lỏng. Với bức xạ tần số thấp, phân tử sẽ quay trong pha với điện trường dao động. Theo cách này, phân tử sẽ thu được năng lượng nhưng hiệu quả đun nóng không đáng kể.

Ngược lại, với bức xạ tần số cao, lưỡng cực không có đủ thời gian để đáp ứng lại trường dao động nên sự quay không xảy ra. Bởi vì không có sự vận động của phân tử nên không có sự truyền năng lượng và không có sự đun nóng. Tuy nhiên, nếu trường áp dụng trong vùng vi sóng, hiện tượng xảy ra nằm giữa hai thái cực trên. Trong vùng bức xạ vi sóng, tần số của bức xạ áp dụng đủ nhỏ để lưỡng cực có thời gian đáp ứng lại sự thay đổi điện trường nên có sự quay. Tuy nhiên tần số cũng không cao đủ cho sự quay chính xác theo trường. Bởi vậy, khi lưỡng cực định hướng lại để sắp xếp theo trường thì trường đã thay đổi và tạo ra sự lệch pha giữa hướng của trường và lưỡng cực. Sự lệch pha này tạo nên năng lượng do sự ma sát và va chạm của phân tử và gây nên hiệu ứng gia nhiệt.

Đến đây có thể giải thích ví dụ đã nêu ở trên: Dioxan không có lưỡng cực nên không có tác dụng đun nóng bằng vi sóng trong khi nước là một phân tử có cực mạnh và dễ dàng được đun nóng. Tương tự, ta cũng có thể giải thích tại sao khí không thể được đun nóng bằng vi sóng vì khoảng cách giữa hai phân tử quay đủ lớn cho các phân tử đáp ứng lại điện trường và không có sự lệch pha.

1.2.b Cơ chế dẫn (Conduction mechanism):

Nếu ta có hai mẫu nước tinh khiết (cất) và nước thông tường lần lượt được đun nóng trong lò vi sóng với năng lượng bức xạ và thời gian cố định thì nhiệt độ cuối cùng của nước thông thường cao hơn. Hiện tượng này được giải thích trên cơ chế dẫn: Ion trong một dung dịch sẽ di chuyển trong toàn bộ dung dịch dưới tác dụng của điện trường, va chạm nhau và chuyển năng lượng động học thành nhiệt.